Der Kern beider Hügelzüge besteht aus flach gelagerten Schichten der oberen Süsswassermolasse, einer Wechsellagerung von harten Sandsteinbänken und weichen Mergelschichten. Die maximale Überlagerung des Tunnels unter dem Uetliberg beträgt ca. 320 m.
Zum Erreichen der beiden Molassestrecken sind die drei Lockergesteinsabschnitte Gjuch, Diebis und Juchegg aufzufahren. Sie liegen alle hauptsächlich in heterogenem Moränenmaterial. Auf den ersten ca. 70 m der Lockergesteinsstrecke Juchegg liegt das Tunnelprofil zusätzlich im Uetliberglehm.
Alle Lockergesteinsstrecken liegen teilweise oder ganz im Grundwasser.
