Geologický vývoj Pavlovských vrchů trval milióny let a sahá až do mýtické doby dinosaurů. Odborníci tento proces řadí do pěti fází.
- fáze – (jura-křída) probíhá na východ od dnešní Pálavy, v mělkém okraji druhohorního teplého moře. Na již existujících jílovcích a pískovcích (klentnické vrstvy) se ukládají schránky mrtvých mořských živočichů a korálů, z nichž postupně vzniká tzv. ernstbrunnský vápenec
- fáze – (paleogén) v hlubokých částech třetihorního moře dochází k rytmickému ukládání mocného flyšového souvrství tvořeného jílovci a pískovci
- fáze – (alpsko-karpatské vrásnění) flyš se dává do pohybu, putuje na západ. Vzniká základ Západních Karpat. Flyšové souvrství před sebou hrne tzv. ernstbrunnské vápence i klentnické vrstvy do prostoru dnešní Pálavy. Vápenec dosud zůstává pod zemským povrchem
- fáze – v okolí dochází k postupnému poklesávání zemského povrchu a vlévá se sem teplé třetihorní moře. Později dochází k poklesu i od východu a vzniká Vídeňská pánev. Pálava je místem hojného výskytu fosilií třetihorních mořských měkkýšů.
- fáze – (čtvrtohory) vznik spraší, zvětrávání vápenců, ukládání sedimentů, rozvoj říční sítě…