Глубина залегания докембрийского фундамента в осевой части Московской синеклизы 3,5—4 км. Докембрий вскрыт буровыми скважинами. Он представлен археем, нижним протерозоем и иотнием. Архей сложен гнейсами, анфиболитами, гранитогнейсами и мигматитами. Нижний протерозой — кристаллическими сланцами, которые встречены только в северной части синеклизы. Все эти отложения очень похожи на архей и протерозой Балтийского и Украинского щитов. Иотний представлен песчаниками с прослоями конгломератов и глинистых сланцев, а также вулканогенными образованиями основного состава.
Осадочный чехол синеклизы сложен породами рифея, палеозоя и мезозоя. Из кайнозойских отложений распространены только четвертичные.
Рифей представлен валдайским, или вендским комплексом, распространенным в северо-западной части синеклизы. Нижняя часть венда сложена континентальными отложениями: конгломератами и щебнем подстилающих гнейсов, грубозернистыми песчаниками, алевролитами и глинами, а верхняя — ламинаритовыми глинами, получившими свое название по наличию в них своеобразных пленочек органического вещества, описанных под именем Laminarites antiquissimus. Эти глины — морские отложения, оставленные предкембрийской трансгрессией.