Nordöstlich des Erzgebirges und der Mittelsächsischen Störung erstreckt sich ein mehrere Kilometer breiter Streifen verschiedenartiger, sehr alter Gesteine. Graue und graugrüne Phyllite (Tonschiefer) aus dem Ordovizium (vor rund 488 bis vor 444 Millionen Jahren), graue bis schwarze Kiesel- und Alaunschiefer aus dem Silur (vor 444 bis vor 416 Millionen Jahren), Tonschiefer und Quarzite aus dem Devon (vor 416 bis vor 359 Millionen Jahren) - allesamt aus Sedimenten hervorgegangene metamorphe Gesteine; dazu noch vulkanisch entstandener Diabas, und das alles von vielen tektonischen Verwerfungen zerrüttet - dies ist das Nossen-Wilsdruff-Tharandter Schiefergebirge.
Im Nordosten des Tharandter Waldes verbirgt der geologisch jüngere Porphyr dieses bunte Gesteinsmosaik, und jenseits der Linie Freital/Hainsberg - Wilsdruff (im "Döhlener Becken") hat sich der Abtragungsschutt des variszischen "Ur-Erzgebirges" - das Rotliegende - darüber abgesetzt. Doch in dem dazwischenliegenden Streifen tritt das Schiefergebirge zu Tage. Der Begriff "Gebirge" bezeichnet keine markante Landschaftserhebung, wie man vermuten könnte, sondern lediglich eine geologische Einheit, die zwar mal ein "richtiges" Gebirge war, heute aber längst eingeebnet ist. Nur dort, wo in der allerjüngsten erdgeschichtlichen Vergangenheit Bäche ihren Weg in diesen eingeebneten Rumpf eingegraben haben, da machen sich die Gesteine in all ihrer Vielgestaltigkeit an den Talhängen bemerkbar.
Zum Beispiel zwischen Tharandt und dem Harthaer Ortsteil Hintergersdorf. Unterhalb der ehemaligen Talmühle wurde früher in drei Steinbrüchen Diabas abgebaut und zu Schotter, teilweise auch zu Werkstein verarbeitet. Der basische Diabas bietet einer artenreichen Vegetation gute Existenzbedingungen. Größere Buchenbestände und Bachwälder mit Erle, Esche und Ulme stocken hier. Die Bodenvegetation besteht meist aus anspruchsvolleren Arten wie Goldnessel oder Buschwindröschen
Ebenfalls zum Schiefergebirge gehört auch das Kalksteinlager am nordwestlichen Stadtrand von Tharandt. Der graue bis schwarze Kalkstein tritt in zwei Schichtkomplexen auf und wurde angeblich schon sehr früh abgebaut (bis zum 1. Weltkrieg).
Das Stadtzentrum am Schloitzbach hingegen ruht auf Gneis - gehört also noch zum Erzgebirge. Tektonische Verwerfungen haben hier einen "Gneiskeil" entstehen lassen, der etwa vier Kilometer nach Norden ragt. Während der Variszischen Gebirgsbildung hatte sich hier auch eine Spalte aufgetan, aus der Porphyr-Magma emporquoll und heute nun den markanten Sporn des Tharandter Burgberges bildet (die Kirche allerdings steht auf Gneis).