La formazione rocciosa della Valle del Freddo è il risultato della verticalizzazione dovuta all'azione tettonica che ha dislocato gli strati di calcare, in origine disposti orizzontalmente. Il calcare prende il nome dalla omonima località del Sebino, a pochi chilometri dalla Riserva, dove la roccia presenta il maggior spessore presso il suggestivo Orrido di Zorzino. In questa zona gli strati di roccia hanno un assetto perfettamente verticale. Si ipotizza che il calcare di Zorzino derivi dalla sedimentazione detritica di bacini marini di modesta profondità ed estensione confinati all'interno delle grandi piattaforme carbonatiche sulle quali si accumularono le future rocce della dolomia principale. Le acque stagnanti di questi bacini ristretti rimanevano prive di ossigeno sul fondo, fungendo da "trappola" per ogni forma vivente che vi entrava trascinata da correnti o tempeste che spazzavano la piattaforma. Qualunque organismo finiva in queste acque moriva di asfissia e si decomponeva impregnando il sedimento di acido solfidrico. Ancora oggi, si percepisce facilmente l'odore sfregando due ciottoli di calcare di Zorzino dai quali scaturisce un odore putrescente.

    Nella nostra Era, la Valle del Freddo ed il territorio circostante sono stati modellati dallo scorrimento di un ramo secondario del ghiacciaio camuno-sebino, diretto in Val Cavallina, il cui lobo terminale ricopriva la Franciacorta. All'azione glaciale si deve l'arrotondamento dei dossi della Riserva e la diffusa presenza di massi erratici. Il fenomeno, non nuovo sulle Alpi, è da riferirsi a quel complesso di eventi climatici della nostra Era, il Quaternario, indicati semplicemente come "glaciazioni". Durante i rigori climatici del Quaternario la lingua glaciale sulla verticale della Valle del Freddo aveva uno spessore di diverse centinaia di metri: copriva la vetta del monte Clemo e lambiva la cima del monte Grione (1300 m), dall'altra parte della valle.

    La forma smussata di dossi e pianori della Riserva  è opera dello scorrimento della massa di ghiaccio nei quali erano mescolati detriti abrasivi di dure rocce camune.  Da questa azione scaturisce anche la forma allungata a "dorso di balena" delle collinette che precedono il lago di Gaiano. A testimoniare il passaggio dei ghiacci sono rimasti anche numerosi massi erratici che possiamo osservare sul luogo del loro remoto abbandono, avvenuto durante il ritiro degli stessi ghiacciai.

    Le falde detritiche delle pendici del monte Nà, invece, si sono formate nel post-glaciale a partire dal ritiro del ghiacciaio dalla Val Cavallina, dapprima in modo accelerato per il venir meno della spinta dei ghiacci sul versante e per il fenomeno della gelifrazione, poi fino ai giorni nostri in maniera più lenta. Esse rivestono particolare importanza perché al loro interno si genera la corrente di aria fredda che consente alle specie microterme della Riserva di perpetuare la loro presenza.