В геологическом отношении бассейн р. Большой Черемшан – это сравнительно «молодая» поверхность, которая еще в конце неогенового периода была покрыта водами широко разливавшихся рек и опресненных заливов моря. Значительная часть бассейна сложена отложениями древнего аллювия, подстилаемых породами неогена и татарского яруса пермской системы, лишенными водоносных горизонтов и отличающихся большей засушливостью, вследствие чего и рек в нём меньше, по сравнению с Предкамьем или Восточным Закамьем, и они более маловодны. Немногочисленная речная сеть и маловодность ряда рек послужили причиной более спокойного рельефа на данной территории, чем в других частях водохранилищ Средней и Нижней Волги.

Геолого-литологический состав пород среднего течения реки представлен породами акчагыльского подъяруса, имеющие аллювиальное, реже аллювиально-озерное происхождение. Это алеврито-глинистые породы, реже − серые пески и песчаники.

Пойма реки сложена аллювиальными отложениями, состоящими из песков, внизу с гравием и галькой, сверху суглинки и супеси. Пологие склоны долин сложены делювиально-солифлюкционными отложениями, состоящими из суглинков, супесей, внизу с щебнем, вверху с прослоями погребенных почв на коренных породах. Водораздельные пространства состоят из сыртовых глин.

Аллювиальные толщи в бассейне Большого Черемшана перекрывают значительные площади, в которых сформированы водоносные горизонты верхнего неогена. Водоносными здесь являются прослои и линзы, реже выдержанные пласты разнозернистых, нередко глинистых песков. Иногда содержат воду песчаные глины и трещиноватые алевриты. Разнообразны пути разгрузки подземных вод верхнего неогена – как в русла рек, так и в палеозойские образования. Сложное взаимоотношения водоносных и безводных горизонтов обуславливают исключительную пестроту колебания глубин до воды – от 5 до 180 м. В целом, в связи с преобладанием в разрезе водоупорных глинистых пород, реки, прорезающие неогеновые отложения, характеризуются низкими значениями модулей подземного питания. За счет подземных вод неогена осуществляется формирование меженного стока притоков Большого Черемшана, Большой Сульчи и некоторых притоков Малого Черемшана.

В бассейне р. Большой Черемшан преобладают проницаемые почвы, преимущественно черноземные легкого механического состава, требующие повышенного увлажнения, т.к. влажность завядания наступает уже при содержании влаги в 20%. Для бассейна характерен однообразный почвенный покров, что обусловлено характером рельефа. Черноземные почвы распространены почти повсеместно и лишь сравнительно узкой полосой северо-восточного простирания распространены слабоподзолистые почвы − вдоль левобережья р. Малый Черемшан. Среди черноземов больше всего распространены маломощные выщелоченные черноземы глинистые и тяжелосуглинистые состава. Первые из них обычно распространены в верховьях пологих склонов, на всех повышенных элементах рельефа (в случае повсеместного распространения черноземов) и по повышенным пологим склонам, а также вдоль речных долин (например, Малого Черемшана) − среди широкого распространения лесостепных почв.

Естественная растительность. Местность в верхнем течении реки почти безлесная, лишь в бассейнах правых притоков имеются леса. Речные террасы заняты разнотравными луговыми степями. Окружающие пространства распаханы. Наиболее крупный лесной массив расположен между средним и нижним течением Малого Черемшана, с одной стороны, и Большой Сульчой на востоке − с другой. Севернее расположен еще один крупный массив леса − в пределах бывшего Билярского административного района (чья территория с 4 января 1963 года была разделена между Нурлатским (Октябрьским) и Чистопольским м.р.), занимая его южную часть. У с. Урняк Нурлатского м.р. р. Большой Черемшан подходит к самому крупному лесному массиву, расположенному по ее правому берегу. Ниже д. Чулпаново (Нурлатский м.р.), лес тянется до самого Димитровграда. Для левого берега реки на этой территории характерна заболоченность.