トレンチは断層と直交する方向に２本（Ｎｏ．１トレンチ、Ｎｏ．４トレンチ）、断層に平行な方向に２本（Ｎｏ．２トレンチ、Ｎｏ．３トレンチ）掘削した。その結果、Ｎｏ．１トレンチ、Ｎｏ．４トレンチの各両壁面、計４壁面で断層を確認できた。

トレンチ内の地層構成は大きく分けてＡ層〜Ｆ層までの６層に区分できた。すなわち、表土であるＡ層、土石流堆積物であるＢ層、浅いＵ字状をなす堆積物であるＣ層、断層の北西側に分布するＤ層、断層の南東側に分布するＥ層、断層帯の中の堆積物であるＦ層と、基盤岩ないしは基盤岩の破砕帯である。各層は、礫径、礫の含有量、基質の粘土やシルトの含有量による層相の違いにより、さらに数層に区分できる。Ｄ層、Ｅ層とも角礫が多く混入する砂礫主体層（Ｄ−ａ層、Ｄ−ｃ層、Ｅ−ｃ層、Ｅ−ｄ層）と礫が点在するものの粘土質の基質が卓越する粘性土層（Ｄ−ｂ層、Ｅ−ｂ層、Ｅ−ｅ層）から構成されている。

断層はトレンチ底から壁面半ばまではおおむね垂直ないしは南東へ高角度で傾斜しているが、壁面の途中で上方へ開くように分岐しているのが２壁面で認められた。

断層はおおむねＤ層とＥ層の境界をなしており、断層を挟んで北西側にはＤ層が、南東側にはＥ層と基盤岩あるいは基盤岩の破砕帯が分布する。Ｅ層はＨ５微高地およびその南西側の小微高地を主として構成しており、Ｄ層はＨ５微高地の北西側にひろがるごく緩傾斜の斜面を構成している。

断層近傍では、Ｄ層、Ｅ層ともに断層にむかって引きずられたように撓んでいるのが認められた。

Ｃ層下部は、Ｄ層とＥ層の境界を跨ぐように浅いＵ字状に分布しており、Ｃ層の最下部であるＣ−ｄ層堆積後、断層のフラワーストラクチャーの影響により落ち込み撓んだ可能性が高い。

牧ヶ洞断層の最終活動時期を決定するために１１試料で１４Ｃ年代測定を実施した。その結果、Ｃ層は約６，８００年前から堆積し始め，少なくとも１，５００年前ぐらい前までは堆積が継続していたこと、Ｄ層は１８，０００年〜１９，０００年前の堆積物であることが判明した。断層帯をなすＦ層は、６６０年〜６，４００年前の地層がモザイク状に分布しているが、おおむね５，４００〜６，４００年前程度の堆積物と考えられる。