Zemplén földtörténete
A hegység aljzata
A hegység északkeleti részén, Felsőregmec és Vilyvitány térségében bukkannak felszínre az ország legidősebb (feltételezések szerint 900 millió évnél idősebb) metamorf kőzetei. Ezeket alapvetően gneisz és csillámpala kőzetek alkotják. Ugyanezen a területen fiatalabb, karbon-perm időszaki homokkő, konglomerátum és agyagpala is található. A perm-triász vörös homokkőből, aleuritból álló rétegek, valamint a triász időszak sötétszürke mészköve a magyar oldalon csak mélyfúrásokból ismert. A Zemplén (Tokaji)-hegység vonulata egy észak-déli csapásvonalú vulkanotektonikus árkot követ. Ebben a nagyméretű süllyedékben helyezkedik el a fent említett kőzetekből álló aljzat kb. 2000-3000 m-es mélységben.
A miocén vulkáni tevékenység
A Zemplén (Tokaji)-hegység hazai vulkáni eredetű hegységeink közül a legváltozatosabb anyagú. A miocén vulkáni tevékenység első terméke egy riolittufához hasonlatos kőzet, a riodácit ignimbrit. A kezdeti kitörés nagy robbanásának megfelelően elég gyakoriak az alaphegység elfogadott kőzetei, a gneisz, csillámpala, homokkő, és mészkő darabok. A vulkáni anyag később egyre "tisztább", és riolitos lett. A vulkáni tevékenység az akkori miocén tengerben zajlott, melyet az üledékekben és a törmelékes kőzetekben található ősmaradványok bizonyítanak. (Sárospatak, Megyer-hegy, Kovácsvágás)
Ezt követően, a szarmata korszakban nagy felszíni kiterjedésű, riolitos összetételű törmelékszórás következett be, melynek terméke a riolittufa, mely legnagyobb mennyiségben a hegység déli részén, Bodrogszegi és Abaújszántó környékén található, de Pálháza és Telkibánya környékén is jól ismert. A tengervízbe hullott, riolitos összetételű kőzetekben a tengervíz hatására olyan kémiai átalakulások indultak el, melyek azokban zeolitásványok létrejöttét eredményezték (Bodrogkeresztúr, Rátka, Újhuta, Mád). A riolittufa másik változatát a szárazulaton felhalmozódott kőzetek alkotják. Ilyen laza, szárazföldre hullot tufaanyag temetett el egy szubtrópusi erdőséget Füzérkomlós-Füzérkajata térségében. Ebben az elszenesedett és kovásodott, több dm-es átmérőjű, álló helyzetű, még a gyökérzetüket is őrző fatörzsmaradványok őrzik az egykori erdőségek nyomát.
A hegység déli és középső (Erdőbénye és Telkibánya között) részének felépítésében az alsó szarmata kori andezites-dácitos kőzeteknek volt nagy szerepe. Az alsó szarmata andezites-dácitos működésének mintegy folytatásaként, a felső szarmatában is nagytömegű intermedier vulkanit került a felszínre. Ezek együttesen ma a hegység legfontosabb felszínformálói. A legfiatalabb andezitek legtöbbször a csúcsokon találhatók meg, és jellegzetesen lemezes elválásúak (Gönc, Gergely-hegy, Pengőkő). A hegység változatos vulkáni kőzeteinek sorát már a pannóniai korszakban képződött, és csak csak Sárospatak környéki (Bodrog-közben) mélyített fúrásokban megjelenő bazalt képviseli. Ezt a bazaltot a zempléni(Tokaji)-hegységi vulkánosság zárótagjának tekintjük.
A földtani képződmények eloszlását egyrészt felhalmozódási rendjük, a vulkáni utóműködési jelenségek, másrészt a tektonikai, illetve az eróziós viszonyok határozták meg. A felsorolt tényezők közül a jelenlegi felszín kialakulásában a legnagyobb szerepet az erózió játssza. A mintegy 10 millió éve tartó lepusztulás a kőzetek szilárdsági viszonyainak megfelelően tarolta le a vidéket, és hozta létre a hegység mai morfológiai arculatát.