Al llarg de les parts mitjana i alta del curs del Millars, des del Millars fins a més amunt d’Olba (ja en terres d’Aragó), hi ha dos conjunts de materials neògens que jeuen discordantment sobre diverses unitats mesozoiques. El contacte d’aquests materials amb el substrat mesozoic és, generalment, discordant. No obstant això, són afectats per un conjunt de falles normals, d’orientació ENE-WSW, amb salts verticals de l’ordre de desenes de metres i extensió lateral de quilòmetres. L’actuació d’aquestes falles és clarament sincrònica respecte a la deposició dels materials de la conca; n’influeixen la distribució i hi provoquen canvis de gruix sobtats. Per tant, encara que els límits (almenys els actuals) de la conca no siguin determinats per falles normals importants, llur diferenciació guarda clarament relació amb el procés extensiu que produí les falles normals que l’afecten.
Sobre el substrat mesozoic de la conca del Millars hi ha dos conjunts neògens. L’inferior (formació del Millars), del Miocè mitjà, és format per conglomerats, gresos i calcàries travertíniques, mentre que el superior, d’edat miocena superior a pliocena, el formen lutites roges, gresos, conglomerats i, localment travertins. Ambdues unitats són separades per una discordança. El substrat mesozoic i els materials del conjunt inferior són afectats per falles normals, que facilitaren la diferenciació de la conca. Els materials del conjunt superior no són afectats per aquestes falles.
Biopunt, a partir d’originals de J. Paricio i J.L. Simón.
El conjunt inferior de materials neògens d’aquesta conca (Miocè mitjà) és format per conglomerats, gresos i travertins, d’un gruix molt variable, que ateny 200 m. Els afloraments són dispersos, sovint limitats per falles, i probablement corresponen a conques de sedimentació diferents, cosa que fa difícil establir-ne l’evolució sedimentària; les dues zones d’afloraments més importants són entre Vilanova de Viver i la Pobla d’Arenós, i entre Sant Vicent i Aranyuel. En general hom pot distingir-hi dos trams superposats. L’inferior és constituït de materials fonamentalment detrítics i presenta nombrosos canvis de fàcies, que varien des de successions proximals predominantment conglomeràtiques en bancs gruixuts i amb petites intercalacions de gresos, lutites vermelles i travertins (carretera de Sucaina a Montanejos, prop de La Artejuela) fins a successions més distals amb alternança de nivells de lutites carbonàtiques, margues, lignits, nivells de gresos i conglomerats amb base erosiva; les primeres corresponen a dipòsits de con al·luvial proximal i les segones a dipòsits fluvials de canal i de sobreiximent i a episodis palustres en zones distals dels cons al·luvials. El tram superior és format de calcàries travertíniques (amb motlles verticals de tiges de macròfits i d’arrels i incrustacions algals) amb intercalacions de lutites i margues de to gris-verdós o groguenc; té un origen lacustre amb influències fluvials poc importants, una disposició expansiva respecte al tram inferior i, localment, jeu directament sobre els materials cretacis. Dona un ressalt morfològic important, per exemple al N de Cirat. Alguns nivells lignitosos de les fàcies distals del tram inferior contenen restes de micromamífers (Cricetodon sp., Megacricetodon buijni) que indiquen un Miocè mitjà.
Aspecte típic de les lutites roges i les calcàries travertíniques del Miocè mitjà, prop de Sucaina. Aquestes fàcies, que alternen amb nivells de gresos i conglomerats, formen part del conjunt inferior de la conca del Millars.
Pere Anadón.
El conjunt superior (Miocè superior - Pliocè) és format per lutites roges, gresos, conglomerats i, localment, calcàries travertíniques, amb un gruix màxim de 150 m. Els diversos afloraments, separats per l’erosió, s’estenen des de Formiche, a l’Aragó, fins a Aranyuel, i s’acumularen en una àmplia conca sedimentaria orientada de NW a SE entre les serres de Gúdar al N i de Javalambre al S. A la zona septentrional dels afloraments (per exemple a Cortes d’Arenós) les fàcies són predominantment conglomeràtiques i corresponen a dipòsits de con al·luvial entre proximal i mitjà. Cap al S i a la major part de l’àrea d’aflorament, els materials corresponen a dipòsits de zones distals de con al·luvial, de planes lutítiques i, localment, d’àrees palustres. En conjunt, té una disposició expansiva respecte al conjunt inferior. Hom hi ha trobat restes fòssils en diferents nivells estratigràfics: als nivells inferiors, prop d’Olba, hom ha datat el Turolià inferior (Miocè superior) a partir de restes d’Hipparion; els nivells superiors, prop de Sarrión (Aragó), han donat macromamífers (Hipparion, restes de proboscidis) i restes de micromamífers (Erinaceus, Stephanomys Occitanomys, Castillomys) que indiquen un Pliocè inferior alt.