吉野層は中新世中期〜前期の軽石質凝灰岩を主体とするもので、山形盆地南部に広く分布し東側の奥羽山地にも連続する。調査範囲では、塊状の白色軽石質凝灰岩や粗粒砂質凝灰岩からなり角礫層や火砕岩を挟むこともある。まれには淘汰の比較的よい凝灰質砂岩が挟まれる。山形盆地の南部では、この地層とほぼ同時期の流紋岩やデイサイトの岩体が多く分布している。
銀山層 （Ｇｎ）
銀山層は山形盆地の北部から尾花沢地域にかけて分布する中新世の火砕岩もしくは塊状軽石質凝灰岩である。地層上部にはこれらの火砕岩の再堆積と考えられる凝灰質砂岩・泥岩が見られる。
深沢層 （Ｆｋ）
徳永（１９５８）によれば中新世の凝灰質砂岩で構成されるが葉理・層理の発達が良い特徴をもっている。山形盆地北部から尾花沢盆地東部にかけて分布している。調査地域では富並川沿いの一部の地域や最上川のみかの瀬橋付近に露出している。比較的固結・淘汰の良い凝灰質粗粒砂岩であり、葉理の発達が極めて良い。富並川沿いでは砂岩中に細粒の角礫岩や火砕岩などが挟まれる。
杉山層 （Ｓｇ）
山形盆地南西部に分布する。中新世の頁岩・泥岩によって構成され板状の節理が発達する。調査地域内では南部の丘陵地に暗褐色から黒色を呈した泥岩としてわずかに露出するのみである。
長谷堂層 （Ｈｄ）
中新世の凝灰質砂岩・泥岩・酸性凝灰岩を主体とする地層であり、盆地南部の丘陵地に分布する。調査地域では、山形市村木沢から若木付近の丘陵地で確認され塊状の凝灰質砂岩となっている。
小平層 （Ｋｄ）
鮮新世前期〜中新世後期の淘汰の良い粗粒砂岩であり、徳永（１９５８）によれば村山市富並から山の内間の背斜部に露出し、尾花沢盆地の周辺にも連続するとされる。調査地域内では村山市富並付近から最上川右岸の本飯田付近に分布がみられる。軽石質凝灰岩・凝灰質砂岩の互層からなり細粒の凝灰岩や凝灰質シルト岩も見られる。
本郷層 （Ｈｎ），呑岡山層 （Ｎｏ）
本郷層は中新世後期の砂岩・シルト岩・火砕岩からなる。調査地域内では寒河江市の南西側の丘陵地に見られ、ここでは泥岩〜シルト岩優勢の泥岩・砂岩互層となっている。呑岡山層は中新世後期の火砕岩であり上山市街地の周辺に分布している。
大林層 （Ｏｙ）
調査地域内の村山市大林付近を模式地とする鮮新世の砂岩・泥岩の互層であり、凝灰岩・礫岩・亜炭層などを挟んでいる。
大谷層 （Ｏｙ）
鮮新世の凝灰質砂岩主体の地層であり、調査地内では左沢北東の丘陵地に分布する。灰色から淡青色の砂岩となっている。
葉山泥流堆積物および安山岩類
鮮新世〜更新世にかけての火砕岩、安山岩熔岩、泥流堆積物などからなる。調査地域内では河北町の西側山地、村山市大高根付近の稜線部などに分布している。
折渡層 （Ｏｒ）
鮮新世〜更新世前期に堆積した礫岩・砂岩・凝灰岩・凝灰質砂岩などからなり、亜炭層が比較的頻繁に挟まれる不規則な互層を呈する。
調査地域では尾花沢盆地から大石田町の最上川左岸などに分布が確認されている。細粒〜極細粒の白色凝灰岩なども見られる。
北山層 （Ｋｔ） 山屋層 （Ｙａ）
更新世中期以降の堆積物とされ、礫・砂・シルト・凝灰質砂層および亜炭・泥炭層を頻繁に挟む。北山層は最上川左岸の北山丘陵から村山市長島付近の最上川沿いに分布が確認される。山屋層は新庄盆地に広く分布する地層で礫・砂・シルトおよび細〜粗粒の凝灰岩や泥炭・亜炭層を含む堆積物である。この地層中の凝灰岩にはピソライトを含むものが多いことが報告されており、同様の地層が最上川左岸の大石田町横山付近にも確認された。
段丘堆積物（Ｈ，ＭT，ＭU，ＭV，ＬT，ＬU，ＬV）
山形盆地における段丘堆積物は北部地域と南部地域で分布形状に差が見られる。北部地域の分布は最上川左岸側で低位段丘の連続が良く丹生川，富並川，樽石川，千座川，法師川など支流が合流する付近で広く分布している。
高位段丘の堆積物は河北町弥勒寺付近で確認されたのみである。この地点では層厚１０ｍ程度の円礫層がシルト・砂層を挟んで堆積している。中位段丘は富並，大淀，白鳥付近などに点在している。堆積物はほとんど確認されていないが、北山丘陵や富並付近の中位段丘U面ではシルト層を挟む砂礫層が確認されている。
低位段丘堆積物は最上川左岸に広く分布している。このうち、低位段丘T面の堆積物は村山市大林付近、樽石川右岸、大石田町田沢付近などで確認され、巨礫を含む砂礫層が主体であるが、シルトや砂層を比較的頻繁に挟んでいる。また、泥炭層も含まれ層厚は１５ｍを超えることあり、他の低位段丘と比較すると厚い堆積物によって構成されている。
低位段丘U面は段丘面の保存が良く最上川左岸に連続が良い。段丘の分布は各支流に沿った分布を示す。堆積物は地域によって粒径に差が見られ支流沿いやその上流側では巨礫を含み、段丘面が広がった地域では礫径が小さい傾向にある。堆積物の層厚は最大でも１０ｍを超えない。低位段丘Vは、支流沿いの断片的な分布がほとんどとなっており、堆積物は巨礫を含む砂礫層が見られる。北部地域における完新世堆積物は最上川右岸の低地に分布するが現河床との比高が小さく堆積物の確認された地点は少なく、段丘化した地域では砂礫層やシルト・砂層によって構成される。
山形盆地の南部では更新世後期の堆積物が明瞭な段丘を形成しているのは、寒河江市街地およびこの西側の寒河江川沿いと最上川沿いの地域に限られる。より南部の須川沿いでは東側の山地から扇状地が大きく張り出し、西側からも低位段丘U，Vに対比される扇状地が形成されている。
高位段丘および中位段丘は寒河江市長岡山や平野山付近に分布しているが、段丘面を構成する堆積物は確認されていない。低位段丘T面の分布も盆地南部では断片的となっており、寒河江市高瀬山付近で２〜３ｍの砂礫層と砂・シルト層が確認された。
低位段丘U面およびV面は、西側の山地と沖積低地の間にわずかに段丘化した扇状地として分布している。これらを構成する地層は、まれに巨礫を含む砂礫層が主体であるが地域によって砂・シルト層や泥炭層が挟まれる。盆地南端部では段丘化していない扇状地の分布が見られる。これらの堆積物は比較的礫径の大きな砂礫層となっている。