Der Frankenwald ist ein waldreiches Gebiet. Früher dominierten Rotbuche und Tanne. Nach der fast vollständigen Abholzung um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert wurde überwiegend mit schnellwachsenden Fichten-Monokulturen wieder aufgeforstet, die heute noch das Bild des Frankenwaldes prägen.
Die Geologie des Frankenwalds besteht zu großen Teilen aus Grauwacke und Tonschiefer des Unterkarbons. An der Fränkischen Linie, einer Verwerfungszone, grenzt er an den Muschelkalk des Obermainlands. Wissenschaftlich wird unterschieden zwischen dem Frankenwald im engeren Sinn (westlich von Selbitz) und dem Frankenwald (Überbegriff für die drei Gebiete Frankenwald im engeren Sinn, Münchberger Hochfläche und Bayerisches Vogtland).
Am westlichen Rand des Frankenwalds, zwischen Gundelsdorf im Süden und Rothenkirchen im Norden liegt das dreigeteilte Stockheimer Becken, eines der wenigen Rotliegend-Becken in Bayern. In ihm finden sich u. a. saure Vulkanite, vulkanogene und lakustrine Sedimente des Perms (vorwiegend Schiefer, Sandsteine und verschiedene Konglomerate) sowie einige geringmächtige Steinkohleflöze, die bei Stockheim und Neuhaus-Schierschnitz bis in die 1960er Jahre unter Tage abgebaut wurden.
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