Сауыр-Тарбагатай в основном сложен породами палеозоя (глинистыми и кристаллическими сланцами, песчаником, известняком и конгломератом) . В горах Сауыр и Манырак широко распространены эффузивные породы, которые представлены порфирами и порфиритами. А на южных склонах часто встречаются известняки.
В разных частях водораздела Тарбагатая много гранитов, которые отсутствуют на Сауыре.
В горах Сауыр было открыто Кендирликское месторождение угля. Разведываются нефтяные слои. Найдены большие запасы горючих сланцев.