In einer vom Mittelmeer bis nach Nordeuropa verlaufenden Schwächezone der Erdkruste begann im frühen Tertiär, vor etwa 60 Millionen Jahren, die Bildung des Oberrheingrabens ein 250 Kilometer langer und 40 Kilometer breiter Streifen löste sich von seinen rändern und sank in die tiefe. Die Vertiefung füllte sich mit Sedimenten, zum Schluß in der Eiszeit mit den Kiessanden des Rheins und seiner Nebenflüsse.
Im späteren Tertiär, vor etwa 15 Millionen Jahren, drangen auf weit ins Erdinnere reichenden Bruchspalten des Grabens basaltartige Magmen nach oben und bildeten den Kaiserstuhl-Vulkan.
Manche Magmen erkalteten und erstarrten noch in der Tiefe bevor sie die Erdoberfläche erreichten. Es entstanden Tiefengesteine. Gasreiche Laven schufen sich durch eine Explosion ihren Weg zur Erdoberfläche. Die Kraft dazu kam aus den im flüssigen Magma gelösten Gasen; die Explosion fand statt, sobald die zurückdämmende Wirkung der überlagerten Gesteine geringer geworden war als der Gasdruck des nach oben drängenden Magmas. Die dabei herausgeschleuderten Magmenfragmente wurden als Agglomerate (grobe Blockanhäufungen) oder Tuffe (Ablagerungen von Staub- bis Sandkorngröße) abgelagert. Ruhig ausfließende Magmen erstarren als Lavaströme. Agglomerate, Tuffe und Lavaströme sind am Limberg in besonders eindrucksvoller Weise, oft in einem einzigen Aufschluß übereinander, zu sehen. Sie sind in der Abfolge von unten nach oben durchnumeriert. Vorkommen von fossilen Kleinwirbeltieren, eingeschlossen in den Tuffen, ermöglichen die zeitliche Einstufung des Limberg-Vulkans in das Miozän. Daneben sind noch mergelige Ablagerungen eines Süßwassersees aus dem Tertiär vorhanden.
In den 15 Millionen Jahren seit der Entstehung des Kaiserstuhl-Vulkans haben Bewegungsvorgänge in der Erdkruste das Vulkangebäude in viele Einzelschollen zerlegt und diese gegeneinander bewegt oder verschoben. Die Abtragung hat den größten Teil der Gesteine zerstört und hinweggeführt. Über weite Teile haben staubführende Winde der Eiszeit einen Löß-Schleier gelegt: Der heutige Kaiserstuhl ist die lößbedeckte Ruine des alten Vulkans. Dessen Gestalt ist daher nur unvollkommen rekonstruierbar.
Trotzdem gewähren die Gesteine des Limberges und die hier vorkommenden Mineralien einen guten Einblick in erdgeschichtliches Geschehen. Dies ist hauptsächlich durch die günstigen Aufschlußverhältnisse möglich. Daher stehen sämtliche Steinbrüche des Limbergs unter Naturschutz. Bei zu großer Annäherung an eine Steinbruchwand besteht Lebensgefahr! Besucher, die spezielles Interesse an Gesteinstücken haben, finden solche im allgemeinen am Fuß der Halden in großen Mengen. Für das Klopfen in den Wänden bedarf es einer besonderen naturschutzrechtlichen Ausnahmegenehmigung.
