Геологическую основу бассейна Свияги составляют преимущественно пермские, юрские, меловые, неогеновые и третичные породы (песчаники, глины, мергели, известняки, мел, пески), перекрытые с поверхности мощными четвертичными отложениями (глины, лесовидные суглинки, пески). В правобережье распространены естественные обнажения пород татарского яруса пермской системы, залегающих на отложениях верхнеказанского подъяруса.

По долинам правых притоков Свияги развиты песчаные отложения пойменного аллювия современного и верхнечетвертичного возраста. В левобережье реки татарские отложения имеют ограниченное распространение; они развиты преимущественно в северной части водораздела рек Карла и Була, встречаясь отдельными пятнами южнее р. Карла. Территорию южнее Карлы слагают отложения верхней юры, представленные пятью ярусами: келловейским, оксфордским, киммериджским, нижневолжским и верхневолжским. Общая мощность верхнеюрских отложений 80-85 м. Отложения трех нижних ярусов верхней юры (келловея, оксфорда, киммериджа) представлены серыми толщами глин и глинистых мергелей. Отложения волжских ярусов представлены частным чередованием самых разнообразных пород: мергелей, известняков, горючих сланцев, глин, алевритов, конгломератов с обильной ископаемой фауной. Обширные пологие склоны водоразделов в левобережье Свияги затянуты плащом делювиальных и делювиально-солюфлюкционных отложений мощностью до 5-10 и более метров, представленных в основном суглинками. В левобережье Карлы значительное распространение имеют флювиогляциальные (водноледниковые) пески.

Коренные, элювиально-делювиальные и реже аллювиальные отложения, а также отчасти речные образования являются материнскими породами, на которых развит разнообразный почвенный покров бассейна. На поверхности водоразделов и их выпуклых склонах, на межовражных плато развиты серые лесные почвы. Отдельными небольшими пятнами встречаются дерново-подзолистые почвы, развитые под лесами. В среднем течении реки преобладают черноземные почвы, представленные оподзоленными, выщелоченными, карбонатными, типичными и луговыми черноземами. Механический состав почв глинистый. Наиболее широко распространены выщелоченные черноземы, развитые на пологих склонах водоразделов по всему левобережью Свияги. Преобладают среднемощные и мощные виды этих почв с мощностью гумусового горизонта до 80 см и больше, менее распространены маломощные черноземы.

Основные массивы черноземов приурочены к долинам Свияги и ее левых притоков – Карлы (по правому ее берегу), Тельцы и Цильны. Большая часть типичных черноземов – среднемощные. По долинам рек развиты плодородные луговые черноземы, в широкой пойме Свияги – пойменные почвы. Лишь высокие части водораздела Волги и Свияги заняты светло-серыми, серыми и темно-серыми лесными почвами. Светло-серые лесные почвы развиты на неровных водоразделах, между овражных плато и верхних частях склонов. Значительно шире распространены серые и темно-серые лесные почвы, развитые в средней и нижней частях склонов водоразделов всего правобережья Свияги. Темно-серые лесные почвы по своим свойствам являются переходными к черноземам и содержат 5.3-7.0% гумуса. В долинах Свияги и Карлы значительное развитие имеют плодородные пойменные почвы. На вершинах водораздельных массивов правобережья и на поверхности песчаной террасы Карлы развиты дерново-подзолистые почвы легко механического состава (песчаные и супесчаные). По ровным, чуть повышенным террасовым участкам речных долин (в долинах Кубни и Свияги) в условиях периодического затопления паводковыми водами сформировались аллювиальные (зернисто-пойменные) почвы. Они крайне разнообразны по своим свойствам и плодородию − от примитивных песчаных до почв близких к черноземам.

Естественная растительность верхней части бассейна типична для лесостепной зоны. Лесные массивы расположены в основном на водораздельных плато и склонах оврагов. Высокое плато занято сплошь сосновыми и сосново-широколиственными лесами, типичными дубравами и возникшими на их месте в результате вырубки насаждениями с господством осины, липы и березы. Подлесок состоит из лещины, бересклета, жимолости, крушины ломкой, шиповника. В хорошо развитом травяном покрове, кроме сныти, представлены ясменник пахучий, звездчатка лесная, борец, яснотка, купена и др. Отдельные площади, еще недавно находящиеся под дубравами, теперь заняты посадками из молодых искусственных насаждений сосны. Травяные ассоциации представлены лугами. Луга расположены по склонам балок и оврагов, в поймах малых рек, вокруг лесов, пашен и населенных пунктов. Это в основном верховые типчаково-мятликово-разнотравные и типчаково-степно-разнотравные луга. На низком плато чаще встречаются безлесные участки на черноземах, которые распаханы. Среди сельскохозяйственных культур, произрастающих на распаханных участках, распространены яровая пшеница, озимая рожь, кукуруза, ячмень, сахарная свекла, картофель и овощи. Широко развито садоводство. В растительном покрове среднего течения реки преобладают остепненные пространства, полностью освоенные человеком. Здесь хорошо произрастают пшеница, озимая рожь, кукуруза, сахарная свекла, картофель, овощи. Это самый малолесный район, а среди встречающихся лесных массивов – многие реликтовые леса. В них встречаются старые деревья (дубы) возраст которых достигает 100-110 лет. Наибольшую площадь занимают широколиственные леса с господством дуба. Чистых дубрав мало, в большинстве распространены дубовые насаждения с примесью липы, клена, вяза, ильма, иногда осины и березы. Подлесок представлен лещиной, бересклетом, крушиной ломкой, шиповником. Травяной покров состоит из теневыносливых лесных трав (сныть, ясменник пахучий, звездчатка лесная, яснотка, копытень и др.). Травяные ассоциации представлены лугами, занятыми под пастбища и сенокосы. Распространены верховые луга, представленные типчаково-мятликовым разнотравным лугом и типчаковым степно-разнотравным лугом. Луга расположены главным образом на склонах балок и оврагов, на крутых склонах водоразделов, непригодных для распашки, частично по долинам рек, вокруг лесов и пашен. Естественный растительный покров нижнего течения реки сильно изменен. Имеются, значительно сведенные человеком широколиственные леса, которые занимали когда-то значительные площади с обширными массивами из дуба (так называемые «казанские дубравы») и распаханная луговая степь. В настоящее время основная часть территории занята степной растительностью, причем сохранилась она лишь на небольших, неудобных для распахивания участках, а растения, характерные для степей, нередко встречаются на пашнях, в лесах и даже на лугах. Значительные площади лесов сведены в результате распашки. Леса в настоящее время имеют мелкий островной характер на довольно ровных возвышенных плато и занимают в основном водоразделы Волги и Сулицы, Волги и Сухой Улемы. Общая залесённость бассейна на 2019 г. составляет 11.26%.