Seiner regionalgeologischen Stellung nach gehört das Gebiet des Geiseltalsees zum Nordostteil der Thüringischen Senke. Westlich und südwestlich von Merseburg stehen mehrere Dekameter mächtige Tertiärsedimente mit Braunkohlenflözen an, die u. a. in den Tagebauen Großkayna und Mücheln im Geiseltal abgebaut wurden. Diese Braunkohleflöze im Geiseltal entstanden zwischen 44 und 17 Millionen Jahren. Der industrielle Abbau der Braunkohle in der Tagebauform führte im letzten Jahrhundert zu einem grundlegenden Wandel der Wirtschaftsstruktur und Optik der Region. Neben der permanenten Verlegung von Flüssen und Ortschaften entstanden riesige Restlöcher und gigantische Hochhalden, welche die heute entstehende Seenlandschaft im Relief weltweit einzigartig machen.
Innerhalb dieser regionalgeologischen Einheit ist das Gebiet der Merseburger Scholle bzw. Merseburger Buntsandsteinplatte zuzuordnen, welche nach Norden durch den salztektonisch entstandenen Teutschenthaler Sattel von der Mansfelder Mulde und der Nietlebener Mulde als deren östliche Fortsetzung und im östlichen Bereich um Delitzsch – Leipzig von unterschiedlichen Strukturen der Leipziger Tieflandsbucht getrennt ist. Im Westen grenzt die Buntsandsteinplatte an die Kyffhäuser Nordost-Randstörung, im Süden wird sie durch die Freyburger Ost-West-Störung und die Naumburger Störung abgesetzt.
Die Hauptbildungsphase der Braunkohleflöze im Geiseltal war im Tertiär zwischen 44 und 17 Millionen Jahren. In dieser Periode herrrschte auf nahezu allen Erdteilen subtropisches bis tropisches Klima. Das hatte eine sehr intensive Bioproduktion mit einer hohen Artenvielfalt zur Folge. Das Geiseltal war bedeckt von einer immergrünen tropisch-subtropischen Regenwaldflora. In diesem Zeitraum fanden starke Erdkrustenbewegungen statt. Mit der Alpenheraushebung ging eine Senkungsbewegung in Europa einher. Die Folge war das weite Teile Europas überflutet wurden.Das Geiseltal erfuhr eine besonders tiefe Absenkung, die nur zeitweilig an den Rändern durch klastische Sedimente ausgeglichen wurde. Durch den Rückgang des Wassers wurden dann Teile des Landes und des Küstenlandes durch Strandwälle vom Meer abgeriegelt. Flüsse führten solchen Gebieten Süßwasser zu, und nach und nach entwickelten sich auf den nährstoffreichen Ablagerungen Sumpfwälder. Das hatte zur Folge, daß sich abgestorbenes, pflanzliches Material ablagerte und auf dem Boden vertorfte.Im mittleren Eozän entstand im Zentrum des Geiseltals ein solcher Sumpfwald. Aufgrund des heißem Klimas herrschten wieder die besten Bedingungen für die Entwicklung von Braunkohlenwäldern und -mooren, sowie einer üppigen Blüten- und Pflanzenvegetation.
Im Eozän wuchsen vor allem tropische, immergrüne Laubhölzer neben Koniferen und Palmen. Diesen sind die hier vorhandenen 60 bis 80 Meter, teils auch 100 Meter mächtigen Braunkohlenflöze zu verdanken. Das hiesige Tertiärklima sorgte des weiteren für einen hohen Bitumengehalt und eine hohe Ausbeute an Schwelteer in diesem Rohstoff. Damit war diese Braunkohle die potentielle Rohstoffbasis für carbochemische Zwecke. Durch den Einsatz moderner Großgerätetechnik ab 1905/06 gewann der Braunkohlenbergbau im Geiseltal zunehmend an wirtschaftlicher Bedeutung. An der Saale bei Merseburg in unmittelbarer Nähe zum Geiseltal siedelten sich die chemischen Großunternehmen Leuna (1917), Buna (1936), Wintershall (1936) an. Damit wurde der Energielieferant Braunkohle auch zur unabhängigen Rohstoffquelle für die chemische Weiterverarbeitung. Der industrielle Abbau der Braunkohle in der Tagebauform führte im letzten Jahrhundert zu einem grundlegenden Wandel der Wirtschaftsstruktur und der Optik der Region. Aus dem ehemals landwirtschaftlich geprägten Geiseltal entwickelte sich eine durch Bergbau und Chemie gekennzeichnete Industrieregion. Dieser Prozess hatte grundlegende landschaftliche und siedlungsstrukturelle Veränderungen im Geiseltal zur Folge, da Dörfer, Flußläufe, Straßen und Schienenwege verlegt wurden. Seit 1929 – 1968 mußten 18 Ortschaften teilweise oder ganz dem Bergbau weichen, dabei wurden ca. 12.500 Einwohner umgesiedelt. Gigantische 941 Millionen Kubikmeter Abraum wurden bewegt, um gut die gleiche Menge Braunkohle zu fördern. (Zum Vergleich: Die Rappbodetalsperre hat ein Fassungsvemögen von 109 Millionen Kubikmetern.) Die Fläche der Tagebaurestlöcher beträgt riesige 48 Hektar, dazu kamen die angelegten Abraumhalden. Das Grundwasser wurde abgesenkt, wenn die Teufe der abzubauenden Flöze unter dem Grundwasserspiegel lag, und um die Standfestigkeit der Tagebauböschung zu sichern. So lag z.B. der Wasserzufluß in den Tagebau bei ca. 120m3 pro Minute. Als Nebeneffekt der Grundwasserabsenkung und der Verdichtung des Lockergesteins erhöhte sich die Wahrscheinlichkeit von Bodenabsenkungen, Feuchtraumraumgebiete wurden trockengelegt und das Mikroklima verändert. Dabei wurden Biotope zerstört, und somit den dort beheimateten Tieren und Pflanzen ihr angestammter Lebensraum entzogen.
Anfang der 90er Jahre wurde der Bergbau hier eingestellt. Laut Gesetz ist eine Rekultivierung des Tagebaus und seines Umfeldes nach Tagebauschließung vorzunehmen. Man entschied sich für die Nutzung des Restloches nach Flutung mit natürlicher Wasserfüllung als Badesee/Sportfläche und Nutzung als Brauchwasserreservoir. Die Abraumhalden werden unter anderen als Forst- und Landwirtschaftsgebiet (Wiederaufforstung) genutzt. In jedem Fall sollte der Naturraum so gut wie möglich wieder hergestellt werden. Die Flutung des Runstedter Sees bei Großkayna ist bereits abgeschlossen. Seit 2002 erfolgt die Flutung des ehemaligen Tagebaus Mücheln. Ziel dieser Maßnahmen ist die Schaffung des Geiseltaler Seenkomplexes mit dem „Geiseltalsee“ als zukünftig größtem künstlichen See Deutschlands. Der Seenkomplex als zentraler Bestandteil der „Neuen Wasserlandschaft Mitteldeutschland“ wird sich zum Ausgangspunkt für die Gestaltung des Geiseltales als landesbedeutsamen Erholungsstandort mit räumlich aufeinander abgestimmten Natur-, Wohn- und Betätigungsstandorten entwickeln. Insgesamt wird die Flutung acht Jahre dauern. Dabei soll von der hohen Wasserqualität des Saalewassers mit dem geflutet wird, profitiert werden. Das Problem der Versäuerung des Seewassers durch den Schwefelgehalt der Restkohle wird gleichfalls von der Natur gelöst, denn die tiefsten Stellen des Sees liegen unter dem Grundwasserspiegel. Dieses Grundwasser ist durch die geologische Bunt- und Kalksandsteinstruktur sehr kalkhaltig (basisch) und wird den P-h-Wert des Sees neutralisieren.
Als Folge des Rückbaus der montanen Entwässerungsanlagen wird der Grundwasserwiederanstieg im Geiseltal bis zur Saale unweigerlich einsetzen und ökologisch das Umland beeinflussen. Durch die riesigen Wasserflächen und geplanten Waldflächen der ansonsten von raumbestimmender Vegetation weitgehend ausgeräumten Landschaft wird sich das lokale Klima nachhaltig ändern und dem ähneln, welches am Bodensee herrscht, was an den Hängen des künftigen Geiseltalsees (Klobikau) bereits weitsichtige Weinbauern zum Anlegen von Anbauflächen bewegt. Das ozeanisch geprägte gleichmäßige Klima des Geiseltales, erfährt durch die Becken und Höhen der Mittelgebirge beträchtliche Abwandlungen.Dadurch gehört das Geiseltal zu den trockensten Landschaften Deutschlands, im Regenschatten des Harzes werden in der Regel kaum 500mm Jahresniederschlag erreicht. Der Wind weht vorwiegend aus West bis Nordwest, also in Längsrichtung des Sees was zukünftigen Segelsportlern sehr entgegenkommen wird.
