Первые сведения о геологическом строении территории Агинского Бурятского округа относятся к 18 в., когда в 1751 А. Гмелиным были упомянуты выходы известняков в междуречье Онона, Борзи и Турги. Позже карбонатные образования этого района, не характеризуя их качество, отмечали А. Таскин (1823), Ю.М. Шейнман (1927), В.Н. Руднев (1929) и др. Первые сведения о геологии района Саханайского массива относятся к кон. 19 в. (А.П. Герасимов, 1895–98), данные о геологическом строении бассейна р. Ага приведены В.А. Обручевым совместно с А.П. Герасимовым и А.Э. Гедройцем.

Систематическое изучение геологического строения округа начато с проведения в 1929 геол. съемки масштаба 1 : 200 000 (Налетов, Н.В. Пак), далее исследования проводили В.М. Руднев (1931), Н.А. Пехтерев, Н.Г. Истомина (1948–49), С.А. Иванов (1958), И.А. Турчинов, В.И. Шелупенко, А.И. Харламов, М.И. Колодий, Н.В. Ванюков (1962), И.Н. Титов, А.Ц. Жаргалов (1963), Е.В. Барабашев, Н.А. Трущева, М.И. Тулухонов (1965), А.М. Гребенников, В.Д. Огородников, Н.Н. Чабан, Е.А. Беляков, Н.А. Снижевская, О.В. Сосницкий, И.Н. Фомин и др.
В результате планомерных геологосъемочных работ вся территории округа покрыта Гос. геологической съемкой масштаба 1 : 200 000. Геол. изученность одна из самых высоких в России.

Установлено, что территория Агинского Бурятского округа принадлежит Забайкальскому фрагменту Монголо-Охотского пояса. Она включает фрагменты Агинской структурно-формационной зоны, Хэнтэй-Даурской структурно-формационной зоны и незначительный фрагмент Аргунской структурно-формационной зоны (СФЗ). Между собой они разделены крупными разломами, представляющими собой дислокационно-метаморфические структуры или пояса. На территории округа находится западная часть Агинско-Борщовочного пояса.
В минерагеническом отношении территория округа относится к олово-вольфрам-редкометалльному поясу Монголо-Забайкальской минерагенической провинции. Он охватывает фрагменты Хэнтэй-Даурского, Агинского и Аргунского структурных мегаблоков, которым соответствуют одноименные минерагенические области. Основная часть округа расположена в пределах Агинского мегаблока с ведущими редкометалльным гранитовым, силикатно-касситеритовым, олово-вольфрамовым, ртутно-сурьмяно-вольфрамовым, скарновым золото-вольфрамово-висмутовым, золото-серебряным, золото-сульфидно-кварцевым, марганцевым и др. типами оруденения. В Хэнтэй-Даурском мегаблоке развиты олово-вольфрамовый, молибден-вольфрамовый, золото-кварцевый, золото-сульфидно-кварцевый типы оруденения, второстепенную роль играет редкометалльная минерализация. Аргунский мегаблок имеет полиметаллическую, редкометалльную, меднопорфировую с золотом минерагеническую специализацию. В пределах всех мегаблоков отмечаются объекты каменных и бурых углей, россыпи золота, вольфрама, олова. К Агинско-Борщовочному поясу приурочены многочисленные рудопроявления и геохимические аномалии золота. С рудоносными гранитоидными интрузиями в краевых швах и внутренних блоках связано силикатно-сульфидно-касситеритовое, олово-вольфрамовое, редкометалльное, золото-вольфрам-висмутовое, ртутно-сурьмяное и др. оруденения.

Территория округа охватывает фрагменты 6 рудных (Агинск., Саханай-Дурулгуевского, Тура-Илинского, Хапчерангинского, Шерловогорского и Балейского) и 2 золотороссыпных (Тура-Илинского и Саханай-Дурулгуевского) р-нов. Здесь известно ок. 30 рудных м-ний и проявлений полезных ископаемых, многочисленные проявления камнесамоцветного сырья и строительных материалов. Характерной особенностью рудных объектов является комплексность, что значительно повышает их ценность. Промышленные перспективы связаны с сурьмой, золотом, вольфрамом, танталом, ниобием, висмутом, марганцем, литием, каменным углем, ювелирными и поделочными камнями, минеральными водами.
Наиболее древними на территории округа являются раннеархейские нерасчлененные метаморфогенные образования, представленные плагиогнейсами, мигматитами, глиноземистыми сланцами, мраморами, кальцифирами, гнейсами, гранулитами. Они развиты крайне ограниченно на северо-востоке территории, в предгорье Борщовочного хребта.

Протерозойские образования представлен нерасчлененными метаморфогенными породами малханского комплекса – гнейсами, плагиогнейсами, амфиболитами, мраморами, кварцитами, кристаллическими сланцами, встречающимися в виде небольших полей к западу от рр. Иля и Тура в обрамлении раннепалеозойских гранитогнейсовых куполов и скиалитов в гранитоидах. Значительно шире распространены среднерифейские вулканогенно-осадочные образования онон-кулиндинской серии, метаморфизованные в условиях фации зеленых сланцев. Они слагают субмеридиональную дугообразную полосу шириной до 30 км в нижнем течении р. Онон и в бас. рр. Иля и Тура. В кулиндинской свите преобладают базальтоиды, часты горизонты яшмоидов, сланцев, иногда кислых вулканитов. Ононская свита преимущественно сланцевая, с горизонтами зеленокаменных ортосланцев, яшмоидов, известняков и микрокварцитов.

Плутонические образования протерозоя представлены небольшими (до 10 км2) телами среднерифейских метагабброидов и позднерифейских ультраметаморфических гранитоидов, в пределах выходов метаморфитов архея.

Ранний палеозой представлен только гранитоидными интрузиями джидинского и малханского комплексов, распространенными к зап. от рр. Иля и Тура и слагающими небольшие тела и фрагменты крупных массивов, конформных купольным складчатым структурам.
Среднепалеозойские стратифицированные толщи распространены в Агинск. и Аргунской СФЗ, слагая крылья брахисинклиналей в составе чиндантской, усть-борзинской и зун-шивеинской свит. В их составе преобладают алевролиты и песчаники с обильной фауной, содержащие горизонты зеленокаменных ортосланцев и конгломератов. В Аргунской СФЗ ср. палеозой представлен глинистыми и алевритовыми сланцами макаровской свиты, ритмично чередующимися с песчаниками, отмечаются единичные линзовидные горизонты зеленокаменных ортосланцев. В верхах свиты на правобережье р. Онон появляются хлорит-серицитовые сланцы, дресвяники, известняки. Характерна богатая фауна смежных ярусов ср. и верх. девона. В Хэнтэй-Даурской СФЗ среднепалеозойские отложения сохранились в виде останцов среди более молодых гранитоидов. Они представлены переслаивающимися глинистыми, часто углистыми сланцами, яшмами, алевролитами, песчаниками, иногда андезибазальтами и их туфами и образуют дабан-горхонскую свиту. Магматические образования среднепалеозойского возраста представлены раннекаменноугольными габбро и габбродиоритами, диоритами, кварцевыми диоритами газимурского комплекса в Аргунской СФЗ, интрузией аленуйского субвулканического комплекса (дацитовые порфиры, дациты, их эруптивные брекчии, риолиты, гранодиорит-порфиры) – в ниж. течении р. Онон, мелкими телами гранитоидов – по левобережью ниж. течения р. Ага.

Среднекаменноугольные-нижнепермские отложения чиронской серии общей мощностью 3000–4000 м развиты в бас. лев. ниж. притоков р. Ага. Снизу вверх выделяются тутхалтуйская и харашибирская свиты (объединенные), шазагайтуйская и жипхошинская свиты. В основании каждой залегают конгломераты, брекчии, гравелиты, выше – песчаники, алевролиты, в т.ч. черные, редко известняки. Акша-илинская серия, объединяющая верхнепермские и нижнетриасовые отложения агинск., зуткулейской и тулутайской свит общей мощностью 4500–5500 м, распространена в бас. рр. Онон, Ага, Иля. Отложения представлены песчаниками, переслаивающимися с алевролитами, прослоями конгломератов и гравелитов. В агинск. свите отмечаются кремнистые аргиллиты, туфопесчаники, туфы, в зуткулейской – единичные прослои эффузивов ср. состава. В бас. р. Оленгуй отложения этого возраста представлены небольшими разрозненными выходами цаган-хунтейской свиты, в к-рой преобладают трахибазальты и трахириолиты.
Верхнетриасовые отложения вулканогенно-осадочного состава выполняют ядра синклиналей по левобережью р. Ага. Они слагают могойтуйскую серию в составе 3-х подсерий, в к-рых преобладают песчаники, чередующиеся с алевролитами. В ср. подсерии встречаются туффиты, туфопесчаники, алевролиты с фауной норийского яруса, в верх. и ниж. нередки прослои гравелитов и конгломератов.
Среди плутонических образований развиты позднекаменноугольный трехфазный крупный плутон в бас. рр. Иля и Урей, сложенный дифференциатами от габбро до лейкогранитов, и трехфазный позднепермский бичурский комплекс с дифференциатами преимущественно субщелочного состава (от габбро и субщелочного габбро до кварцевых сиенитов и лейкогранитов) в виде сравнительно небольших интрузий в бас. р. Оленгуй. Здесь же распространены субвулканические интрузии субщелочных гранитоидов куналейского комплекса (от сиенит-порфиров до щелочных гранитов и лейкогранитов). Завершают триасовый магматизм небольшие субвулканические интрузии дацитов среди образований могойтуйской серии (к сев. от с. Хара-Шибирь).

Юрские стратифицированные образования представлены терригенными морскими отложениями, орогенными континентальными молассами и наземными вулканитами, выполняющими небольшие депрессии на зап. и фрагменты крупных: Ундино-Даинской на вост. (Аргунская СФЗ) и Карымской на сев.-вост. (Агинск. СФЗ).
Нижнеюрские морские отложения выделяются в Ундино-Даинской впадине. Они представлены алевролитами и песчаниками с горизонтами аргиллитов и конгломератов. Наиболее грубообломочным составом характеризуется базановская свита (ср. часть разреза), наиболее тонким – икагийская (низы разреза), где преобладают алевролиты и аргиллиты. Среднеюрские валунно-галечные конгломераты с маломощными пачками песчаников и гравелитов карбачинской свиты развиты в Карымской депрессии и в районе г. Алханай. Средне-верхнеюрские преимущественно вулканогенные образования распространены в бас. рр. Иля и Урей и представлены джаргалантуйской свитой, сложенной андезитами, риолитами, туфами, туфогенно-осадочными породами, конгломератами, брекчиями, песчаниками, алевролитами, и бырцинской свитой преимущественно базальтоидного состава.

С раннеюрским интрузивным магматизмом связан двухэтапный (свыше 100 км2) Урейский вулкано-плутон сохондинского комплекса, вытянутый на 25 км вдоль Онон-Туринского разлома. Первый этап представлен гранодиорит-порфирами, с глубиной сменяющимися гранодиоритами и плагиогранитами. В верх. частях они переходят в кластолавы и дациты. Во 2-й этап сформированы экструзии и покровы дацитов и андезидацитов.

Ранне-среднеюрский кыринский комплекс объединяет двухфазные среднеглубинные гранитоидные массивы Хэнтэй-Даурской СФЗ. Они сложены роговообманково-биотитовыми гранодиоритами, кварцевыми диоритами и андезитовыми гранитами 1-й фазы и лейкократовыми и аплитовидными гранитами и гранит-порфирами – 2-й. К этому же этапу магматизма относится и широко развитый в Заб. трехфазный шахтаминский комплекс. К нему относятся штоки, лакколиты, дайкообразные тела площадью до 200 км2 и более. К 1-й фазе относятся кварцевые монцониты, монцониты, сиениты, габбро-диориты краевых фаций, ко 2-й (гл.) – гранодиориты, кварцевые монцониты, меньше распространены граниты, к 3-й – мелкие штоко- и дайкообразные интрузии аплитовидных гранитов и кварцевых сиенитов. С этим комплексом связаны м-ния цветных и благородных металлов.

Средне-позднеюрские субвулканические интрузии гранодиорит-порфиров, кварцевых сиенит-порфиров, диоритовых порфиритов и монцонит-порфиров представлены несколькими небольшими штоками в междуречье ниж. течения рр. Ага и Онон.

Гранитоиды харалгинского комплекса, коррелирующиеся со 2-й фазой асакан-шумиловского комплекса, развитого на сев.-зап. крыле Даурского свода, слагают небольшие штоко- и дайкоподобные интрузии в бас. прав. притоков р. Урей.

Позднеюрские субвулканические интрузии слагают малые тела и дайки гранодиорит-порфиров, кварцевых сиенит-порфиров, трахитовых порфиров, пространственно связанных с верхнеюрскими и средне-верхнеюрскими вулканитами в бас. рр. Иля и Урей.
Важнейшее значение имеет кукульбейский интрузивный комплекс, в Агинской и Аргунской СФЗ представленный массивами площадью до 300 км2. Среди гранитоидов преобладают кислые и ультракислые граниты и аляскиты с порфировидными, пегматоидными и мариолитовыми структурами. Из жильных их аналогов широко развиты редкометалльные пегматиты, амазонитовые и аплитовидные граниты. С комплексом пространственно и генетически связано пром. редкометалльное, вольфрамовое, оловянное и флюоритовое оруденение.

Нижнемеловые континентальные отложения распространены по всей тер. округа, выполняя консидементационные рифтогенные впадины. Они разделены на тургинскую серию и кутинскую свиту. Тургинская вулканогенно-осадочная серия делится на 2 подсерии. В ниж. широко развиты вулканиты кислого состава (риолиты, трахиориолиты, их туфы, туффиты, туфобрекчии) с прослоями бурых углей, песчаников, алевролитов. В ср. части разреза – трахиандезибазальты, трахиандезиты. Мощность до 1400 м. В верх. подсерии преобладают осадочные, местами туфогенные породы. Мощность подсерии до 1300 м. Отложения кутинской свиты выполняют мульды в пределах впадин. Они делятся на 3 толщи: ниж. песчаниково-конгломератовая, ср. – песчаниково-алевролитовая, содержит до 27 пластов бурых углей мощностью до 5,3 м, верх. (340–360 м) сложена ритмично переслаивающимися алевролитами, аргиллитами, редко песчаниками с прослоями и линзами сидеритов, сидеритизированных и кальцит-доломитовых пород, пластов бурых углей.

Верхнемеловые отложения слагают горизонтально залегающие образования ножийской толщи – аллювиально-проллювиальные и озерно-аллювиальные галечники с песчано-глинистым заполнителем, либо слабо литифицированные конгломераты. Верхи разреза сложены разнозернистыми и гравийными песками.
Кайнозой представлен плиоценовыми, среднечетвертичными, верхнечетвертичными и современными рыхлыми отложениями. К плиоценовым образованиям относятся красноцветная монтмориллонитовая кора выветривания, сохранившаяся в прибортовых частях Нижнеононской и Цасучейской мезокайнозойских впадин и содержащая щебнистые и глыбовые суглинки. Среднечетвертичное звено на юге 3аб. представлено озерно-речными отложениями речных бассейнов и бессточных котловин и характеризуются перемежаемостью галечников, гравелистых песков. Верхнечетвертичные аллювиальные, озерно-речные и разнообразные склоновые отложения распространены фрагментарно в отрицательных формах рельефа. В межгорных впадинах преобладают пески мощностью до 60 м, за пределами впадин увеличивается кол-во валунно-галечного материала, а мощность уменьшается до 1-х метров. Эоловые пески, лессовидные суглинки и супеси покровного характера распространены в бас. р. Онон и имеют мощность от 2–4 до 15–20 м. Современные рыхлые отложения представлены аллювием пойм речных долин. В их составе преобладают песчано-галечные осадки. Глины присутствуют в виде прослоев и линз. Мощность современного аллювия колеблется от 1-х метров до 10–12 м, достигая 30–40 м в долине р. Онон. Л и т.: Геол. строение Чит. обл. Объяснительная записка к геол. карте м-ба 1 : 500 000 / К.К. Анашкина, К.С. Бутин, Ф.И. Еникеев и др. – Чита, 1997. В.И. Сизых, С.Р. Забродина, Г.А. Юргенсон