Le sorgenti termali sono localizzate in una valletta detta "della Rupe dei Cozzi" in una zona collinare ad ovest dell'abitato di Castrocaro Terme percorso dall'omonimo rio, un affluente di sinistra del fiume Montone. La zona è stata oggetto di studi geologici e paleontologici approfonditi sul Pliocene di Castrocaro, dovuti a Ludovico Foresti (1885), Angelo Manzoni (1885) e Antonio Neviani (1893). Le rocce sedimentarie presenti nella zona si sono originate negli ultimi 10 milioni di anni, dal Miocene al Pleistocene inferiore. Affiorano nell'area rocce di "Marnoso-arenacea" alternate a strati di “Argille Azzurre” finissime, di origine paleomarina, depositatesi tra cinque ed un milione di anni fa, il cui nome è dovuto a Leonardo da Vinci (1506-1510), che nel Codice Hammer parla di un azzurrigno terren di mare, pieno di nichi, da fare vasi. Le scogliere del mare paleoadriatico che occupava questi territori sono ancora presenti in grossi blocchi di calcare organogeno e poroso detto "Spungone".