Las rocas que encontramos en el área del bosc de la Marquesa están constituidas por materiales sedimentarios de la era Terciaria, característicos de toda la zona de colinas litorales al este del río Francolí. Estos sedimentos se formaron durante el Mioceno, cuando la Depresión Prelitoral –donde se sitúa el campo de Tarragona– estaba cubierta por el mar.

En estas rocas encontramos principalmente calizas con presencia de fósiles de agua salada; de hecho, la barra carbonatada es el resultado de la actividad de algas coralinas, briozoos, coralarios y otros organismos mucho más evidentes como las ostras y otros moluscos bivalvos. Estos materiales miocénicos, que forman el relieve más elevado que llega hasta el mar, junto con la acción erosiva de este, especialmente intensa durante los temporales de levante (este), mediodía (sur) y garbí (suroeste), son los responsables de la formación de los acantilados. Los diferentes grados de resistencia a la erosión en los estratos han dado lugar a la formación de cuevas y entrantes a lo largo de la costa.

En el bosque de la Marquesa, las rocas y sedimentos miocénicos tienen unos colores característicos amarillentos y dorados que las hacen muy atractivas. En algunos estratos, como los que forman los acantilados que rodean Cala Fonda, son relativamente blandos, lo que los hace muy susceptibles a la erosión causada por el oleaje, la lluvia y el viento. Estos colores y su relativa facilidad para ser explotados han hecho que fueran objeto de excavación desde tiempos antiguos, como lo demuestra la presencia de la cantera romana de la Punta de la Creueta.

La geomorfología del sector está claramente asociada a la dinámica litoral. En primera línea de costa, donde se encuentra la barra carbonatada del Mioceno, las olas van socavando la base de las rocas, disgregándolas y formando multitud de cavidades más o menos profundas. La fractura de estas formaciones determina el relieve abrupto de la línea de costa, que se extiende mayoritariamente en el área, con calas formadas al pie de los acantilados o en la desembocadura de pequeños torrentes o líneas de escorrentía superficial.

En la costa entre Tamarit y la playa Llarga se constata la existencia de un islote, la Jovera, cerca del castillo de Tamarit, con el mismo origen. Por toda la zona se pueden observar rocas que han quedado aisladas a unos metros de la costa actual, procedentes del desprendimiento de bloques desde los acantilados, como es el caso de las rocas situadas frente a la Punta de la Creueta.