В основании первых трёх зон по геофизическим данным уверенно прослеживается древний, раннедокембрийский, фундамент, сложенный преимущественно метаморфическими и магматическими породами и образованный в результате нескольких эпох складчатости. Самые древние, предположительно архейские, породы выходят на поверхность в Тараташском выступе на зап. склоне Южного У. Доордовикские породы в фундаменте синклинориев вост. склона У. неизвестны. Предполагается, что фундаментом палеозойских вулканогенных толщ синклинориев служат мощные пластины гипербазитов и габброидов, местами выходящих на поверхность в массивах Платиноносного пояса и др. родственных ему поясов; эти пластины, возможно, представляют собой отторженцы древнего океанического ложа Уральской геосинклинали. На В., в Урало-Тобольском антиклинории, выходы докембрийских пород довольно проблематичны.
Палеозойские отложения западного склона У. представлены известняками, доломитами, песчаниками, образовавшимися в условиях преимущественно мелководных морей. Восточнее прерывистой полосой прослеживаются более глубоководные осадки континентального склона. Ещё восточнее, в пределах вост. склона У., разрез палеозоя (ордовик, силур) начинается измененными вулканитами базальтового состава и яшмами, сопоставимыми с породами дна современных океанов. Местами выше по разрезу залегают мощные, также измененные спилит-натро-липаритовые толщи с месторождениями медноколчеданных руд. Более молодые отложения девона и отчасти силура представлены преимущественно андезито-базальтовыми, андезито-дацитовыми вулканитами и граувакками, отвечающими в развитии вост. склона У. стадии, когда оксаническая земная кора сменилась корой переходного типа. Каменноугольные отложения (известняки, граувакки, кислые и щелочные вулканиты) связаны с наиболее поздней, континентальной стадией развития вост. склона У. На этой же стадии внедрилась и основная масса палеозойских, существенно калиевых, гранитов У., образовавших пегматитовые жилы с редкими ценными минералами. В позднекаменноугольно-пермское время осадконакопление на вост. склоне У. почти прекратилось и здесь сформировалось складчатое горное сооружение; на зап. склоне в это время образовался Предуральский краевой прогиб, заполненный мощной (до 4–5 км
) толщей обломочных пород, сносившихся с У., – молассой
.
Триасовые отложения сохранились в ряде впадин-грабенов, возникновению которых на севере и востоке У. предшествовал базальтовый (трапповый) магматизм. Более молодые толщи мезозойских и кайнозойских отложений платформенного характера полого перекрывают складчатые структуры по периферии У.