El sistema geotérmico de Paipa se encuentra a 2525 m s. n. m. en un terreno inclinado de sur a norte hacia el río Chicamocha, donde la geología está dominada por rocas sedimentarias intruidas por rocas magmáticas félsicas. La actividad volcánica del Mioceno y Pleistoceno produjo depósitos piroclásticos y complejos de domos. Un circuito profundo de agua salina sulfatada sódica, presumiblemente originado por la infiltración de agua meteórica seguida por la disolución de una evaporita, se mezcla con fluido geotérmico. Este proceso de mezcla enmascara la composición química e isotópica de la descarga acuosa de los manantiales termales, cuya temperatura alcanza los 76 °C. Aportes de fuente orgánica y magmática/mantélica también afectan la composición de las descargas en fase gaseosa. Concentraciones altas de elementos radiactivos se encuentran en el área, principalmente en El Durazno, una intrusión con alteración intensa ubicada al oeste. Extensos afloramientos de la Formación Une localizados a mayor elevación (2900 m s. n. m.) en el Anticlinal de Tibasosa–Toledo conforman la principal zona de recarga. Fallas de alto ángulo (fallas de Las Peñas, Paipa–Iza y Agua Tibia) y los planos de contacto entre intrusiones magmáticas y las rocas metamórficas y sedimentarias que las rodean controlan la permeabilidad del reservorio fracturado. Más al norte, el flujo ascendente causado por flotabilidad del agua caliente encuentra alta permeabilidad en rocas sedimentarias, principalmente de la Formación Une, formando un reservorio sedimentario. La circulación lateral posterior del fluido es favorecida por una falla normal subvertical NW (Falla de Cerro Plateado). Dos zonas de descarga principales, Instituto de Turismo de Paipa–Lanceros y La Playa, son controladas por la intersección entre fallas y rocas permeables.