Основу геологического строения бассейна Мёши составляют древние породы казанского и татарского ярусов пермской системы и породы четвертичного возраста. Верхняя часть бассейна Мёши сложена породами первой серии татарского яруса. Это красноцветные глины, красновато-коричневые мергеля, вишнево-красные и другие аргиллиты с тонкими прослоями серых мергелей, известняков и доломитов. На склонах долин и оврагов обнажаются породы казанского яруса (сероватые и серовато-бурые доломиты, мергели, глины и известняки). По балкам и долинам рек развиты современные и четвертичные песчано-суглинистые, реже щебнисто-галечные породы.

Средняя часть бассейна Мёши сложена отложениями нижней серии татарского яруса пермской системы, а склоны долин, балок и оврагов − верхнеказанскими породами. Коренные пермские отложения выходят на поверхность на высоких водосборах, образуя хорошие обнажения в долинах рек из глинистых известняков, реже известняков, известковистых доломитов, мергелей, глин, песчаников с прослоями гипса. Верхнеказанские отложения представлены, главным образом, зеленовато-серыми и зеленовато-желтыми глинами, переслоенными зеленовато-серыми песками с редкими линзами гипса. Широко развиты покровные, рыхлые песчано-глинистые современные отложения различного генезиса и механического состава. Это, в основном, продукты размыва и переноса пермских пород в четвертичный период, имеющие обычно буровато-желтую окраску, тонкопористое сложение и большую мощность. Четвертичные подстилающие породы представлены песчано-суглинистыми и реже гравийно-галечниковыми отложениями пойм, песчано-глинистыми породами.

Территорию нижней части бассейна Мёши слагают породы разного возраста и геологического состава, перекрытые породами четвертичной системы, которые представлены песками, песками с гравием и галькой, суглинками, легкоплавкими глинами. Водоразделы, приводораздельные склоны и склоны долин сложены породами самого нижнего комплекса татарского яруса пермской системы. Здесь выделяются известковистые глины, плитчатые мергели, песчаники с большими прослоями доломитов и известняков. Местами в долине реки обнажаются породы казанского яруса, которые, залегая близко к поверхности, часто подвергаются химическому выщелачиванию и карстовым процессам. Они представлены зеленовато-серыми или светло-серыми известняками, доломитами и мергелями, песчаниками и глинами, местами переслоенными гипсами.

Бассейн Мёши, располагаясь на стыке двух природных зон (лесной и лесостепной), характеризуется распространением лесных (светло-серые, серые, темно-серые и коричнево-серые почвы подзолистого типа) и дерново-подзолистых почв. Эти почвы сформировались на делювиальных и элювиальных глинах и суглинках татарского яруса пермской системы в результате сильной расчлененности рельефа и значительного количества осадков. На склонах речных долин (особенно в междуречье Мёши и Малой Мёши) развиты коричнево-серые слабоподзолистые и светло-серые дерново-подзолистые почвы, местами встречаются дерново-карбонатные выщелоченные и оподзоленные почвы. Эти почвы бесструктурны, имеют значительную кислотность, бедны гумусом. На выровненных водоразделах и наиболее пологих склонах долин распространены сильно подзолистые суглинистые почвы и подзолы, с сильно развитым, мощным (до 25 см) подзолистым горизонтом белой окраски. При распашке он придает почве белесый цвет. По долинам рек встречаются выщелоченные черноземы, образовавшиеся на легком песчаном субстрате аллювиального происхождения.

Естественная растительность бассейна представлена темнохвойно-широколиственными лесами, сельскохозяйственными землями на месте широколиственных лесов и пойменными лугами. Главные лесные массивы расположены на северо-востоке бассейна, на водоразделе Мёши, а на остальной территории они разбросаны небольшими участками. Это преимущественно еловые леса с примесью пихты и сосновые боры. Среди еловых лесов довольно часто встречаются березово-шиповые и широколиственные дубово-липово-кленовые леса. Небольшие по площади лесные массивы довольно равномерно разбросаны и по пологим склонам долин и водоразделам. Среди них выделяются широколиственные дубово-липово-кленовые, с небольшими чистыми дубравами, а также мелколистные березовые и березово-осиновые леса. Березняки и осинники возникли вследствие вырубки широколиственных и хвойных лесов. По этой же причине возникли и формации кустарниковых зарослей и лугов, которые занимают видное место в структуре растительности. По поймам рек, склонам оврагов и балкам разбросаны мелкие участки кустарников, состоящие из ольхи, ивы, черемухи и других пород. В долинах рек развиты пойменные разнотравные луга, а на склонах долин – сухие луга. В травяном покрове этих лесов произрастают костяника, манник, звездчатка, сныть и многие другие виды растений. На лугах произрастают типчаково-мятликовые, разнотравные, полевице-мятликовые растительные сообщества.

Помимо естественных растительных сообществ большие по размерам площади занимают искусственные сообщества, созданные человеком посевы культурных зерновых растений. Сельскохозяйственные угодья, разделенные большим числом березовых лесополос, занимают до 70-80% площади территории бассейна. Из сельскохозяйственных культур сеют рожь, пшеницу, овес, горох, ячмень. Из технических культур широко распространены картофель, кормовые культуры, многолетние травы. Выделяются два наиболее значительных лесных массива – Матюшинский и Сараловский леса, но расположены они не в бассейне Мёши, а вдоль берега водохранилища. Залесённость бассейна по данным 2019 г. составляет 16.61%.