Геолого-тектонски строеж Трасето на тунела преминава изцяло през Железнишкия хорст, разделящ Благоевградския (Джерманския) от Ораново-Симитлийския грабен. Той е изграден от сравнително еднообразни скали: предимно докамбрийски високостепенни метаморфити и кватернерни континентални наслаги (Желев, 2014). Докамбрийските високостепенни метаморфити са представени от Тросковския метаморфен комплекс, включващ две съвкупности. В първата преобладават амфиболити и амфиболови гнайси с тела от ултрабазити, а във втората – двуслюдени и биотитови гнайси, процепени от кварцови жили. Амфиболитите преобладават в изграждането на пролома, а гнайсите имат подчинено разпространение – разкриват се под формата на лещообразни тела между амфиболовите гнайси и амфиболитите. Амфиболитите са меланократни, сивозелени на цвят, дължащ се на основния скалообразуващ минерал - амфибола. Амфиболовите гнайси имат мезократен облик, поради значителното количество на плагиоклаза, съизмеримо с това на амфибола. Тросковските гнайси са левкократни скали, контрастни на амфиболитите и включват плагиоклаз, кварц, мусковит и биотит като главни скалообразуващи минерали. Често гнайсите се прослояват или са процепени от кварцови жили с дебелина до 10 m. Кватернерните наслаги са представени от няколко литогенетични единици: алувиал-ни, пролувиални, делувиални и алувиално-пролувиални. Алувиалните седименти са свързани с р. Струма, която прорязва старите метаморфити в обхвата на Железнишкия пролом, като отлага върху тях напрекъснато алувиални наслаги (чакъли, пясъци, глини). В основата на бреговете на реката се развиват делувиални наслаги (предимно груботеригенни брекчи с глинеста спойка), а около водосливите на притоците се образуват пролувиални конуси (чакъли, валуни, пясъци).
