D’un point de vue géologique, les caractéristiques des divers sites du district sont liées à leur géologie structurale. les gneiss de Sainte-Marie-aux-Mines, dont certains sont d’âge précambrien, sont classés en deux groupes, les gneiss à biotite et sillimanite et les gneiss dits variés qui chevauchent les premiers.
Les filons se sont constitués à partir de fractures préexistantes des couches géologiques. L'ouverture des fractures, provoquées par des mouvements de l'écorce terrestre, a été favorisée par la rigidité relative des roches : c'est le cas des gneiss variés, qui contiennent les filons les plus intéressants pour les mineurs (Neuenberg-Altenberg). Les gneiss à biotite et sillimanite. plus souples, n'ont pas donné lieu à de grandes cassures rigides : les filons sont irréguliers et sinueux (Bluttenberg). Les leptynites se fracturent selon des cassures courtes et nombreuses, régulièrement disséminées: les filons y sont peu étendus, mais peuvent être très riches (versant lorrain).
Des solutions hydrothermales ont circulé dans les fractures en dissolvant les éléments métalliques contenus dans les anciens gneiss. En se rapprochant de la surface et en se refroidissant, elles ont libéré les substances dissoutes, et les ont concentré dans les fractures qui sont devenues des filons. Le plus souvent, les filons ne sont pas constitués dans un plan unique, mais sont composés de plusieurs veines à l'origine de faisceaux filoniens. La succession chronologique des dépôts a été décomposée en six formations:
 formation 1: calcite à hématite et quartz calcédonieux. Cette formation s'apparente à la paragenèse observée dans la région du Brézouard
- formation 2: surtout cuprifère : carbonates et quartz à cuivre gris, chalcopyrite, cubanite et minéraux à bismuth;
- formation 3: arsenic natif, arséniures. La transition entre les formations 1 et 2 serait marquée par le dépôt de lautite, suivie par la rammelsbergite
- formation 4: galène, blende, cuivre gris
- formation 5: fluorine et barytine, qui se déposent surtout dans le haut des filons
- formation 6: carbonates nobles à minéraux d'argent, formation qui est à l'origine de la célébrité du gisement de Sainte-Marie-aux-Mines.
Les nombreux filons se différencient par leurs directions et leurs paragenèses. Ils peuvent être regroupés en quatre secteurs.
- Les filons de type Altenberg occupent des fractures généralement nord-sud ou nord-est / sud-ouest. Ils comportent la galène argentifère dans une gangue de sidérite. Plusieurs caractéristiques du secteur de l'Altenberg ont permis d'établir des corrélations entre ce gisement et celui de La-Croix-aux-Mines, ainsi qu'avec des gîtes de Forêt-Noire (Prinzbach et Hauserbach dans la vallée de la Kinzig). Le dépôt de ces minéralisations serait d'âge tertiaire, de façon contemporaine à l'effondrement du fossé rhénan.
- Les filons de type Neuenberg, de direction est-ouest à est-sud-est / ouest-nord-ouest, présentent les paragenèses les plus variées avec la succession des six dépôts. Ils occupent les vallées du Rauenthal et de la Petite-Lièpvre.
- Les filons du versant lorrain (Saint-Pierremont, Musloch) se rapprochent du type Neuenberg, mais les cuivres gris antimonifères (tétraédrite) y sont particulièrement riches en argent.
- Les filons du Bluttenberg présentent une paragenèse mixte et simplifiée, pauvre en argent, qui se distingue par sa zone d'oxydation (chapeau de fer).
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