Folgende geologische Einheiten prägen den Landkreis Mühldorf:
Isar-Inn-Hügelland
Die 14-9 Millionen Jahre alten Sedimente des Tertiärhügellandes nördlich des Isentals bestehen aus Kiesen, Sanden und Mergeln der oberen Süßwassermolasse, der jüngsten Schicht des Tertiärs. Charakteristisch sind die sogenannten asymmetrischen Täler, die zur Isen und zur Rott führen; die ausgedehnten Lößlehmdecken bilden die Grundlage für intensiven Ackerbau.
Unteres Inntal
Das sog. Mühldorfer Schotterfeld wird geprägt durch das Inntal mit seinen großen Mäandern sowie würmeiszeitlichen Schotterterrassen (Niederterrassen), die die weiten ebenen Fluren östlich von Gars bis Bierwang und die Verebnung auf der Waldkraiburg, Ampfing und Altmühldorf liegen, bilden. Das Untere Inntal wird im Norden von dem bis zu 100 Meter hohen Steilanstieg des Isar-Inn-Hügellandes begrenzt.
Isen-Sempt-Hügelland
Der Raum nördlich von Gars bis nördlich von Haag sowie die Umgebung von Grünthal wird bestimmt durch Altmoränen, die meist von mächtigen Lehmdecken bedeckt sind. Als hochaufragende wellige Kuppen, die von wenigen Rinnsalen durchzogen werden, überragen sie die Niederterrasse im Osten (s. Unteres Inntal).
Inn-Chiemsee-Hügelland
Das Rainbachtal bildet eine optische Grenze zwischen der im Norden liegenden hohen Altmoräne und der südlich gelegenen Jungmoräne. Zwischen Maitenbeth im Westen und Gars im Osten prägen die würmeiszeitlichen Jungmoränen des Inngletschers den Landschaftscharakter; besonders eindrucksvoll ist der Endmoränenkranz der würmeiszeitlichen Vereisung um Haag zu beobachten. Das Gebiet ist geprägt von zahllosen Buckeln und Mulden, Wannen und kesselförmigen Gebilden (Toteiskesseln).
Alzplatte
Im Gegensatz zur westlich des Inns gelegenen Jungmoränenlandschaft war die Alzplatte während der letzten Vereisung gletscherfrei. Sie baut sich daher aus Schotterfeldern und Moränengürteln älterer Eiszeiten auf (Altmoräne) und ist größtenteils mit Löss überdeckt. Im Norden fällt die Alzplatte mit einer markanten Geländestufe zur Niederterrasse des Inns ab. Die Alzplatte besteht aus einer bis zu 40 Meter hohen Schotterschicht, die von einer mehrere Meter starken Löss- und Lösslehmdecke überzogen ist. In die Schotter haben sich von Süden nach Norden ziehende, teils wasserlose Tälchen eingetieft, sodass sich ein schwachwelliges Relief ergibt.
