Sulla base dei rilievi geofisici (sismici, gravimetrici, magnetici e geoelettrici) eseguiti in tempi diversi sull'area e delle stratigrafie dei pozzi eseguiti per ricerca e sfruttamento di idrocarburi e d'acqua, sono state tracciate le isobate della base del Quaternario che costituisce per buona parte della pianura il limite inferiore delle alluvioni fluvio-glaciali.
Ciò è verificato nella parte orientale ed in quella nord occidentale della pianura ove il substrato è costituito da rocce calcaree o in facies di Flysch. Ove il substrato è costituito da termini conglomeratici, arenacei e/o siltitici (molasse) miocenici, il discorso è molto più complesso.
La carenza dei dati a disposizione e la loro distribuzione areale del tutto inadeguata rendono incerta l'interpretazione proposta soprattutto per quanto riguarda l’Alta pianura sia orientale che occidentale, per la quale sono note le caratteristiche litologiche del basamento prequaternario solo in alcune zone, per la locale debole profondità dello stesso o per l'individuazione avvenuta tramite esplorazioni profonde. Il substrato è di natura terrigena silico-clastica in tutta l'area compresa tra Tarcento, Attimis, Reana del Rojale, Buttrio, S. Giovanni al Natisone e Cividale del Friuli. Nella piana del Torre e del Natisone il substrato, sempre costituito dalla formazione del Flysch eocenico, risulta essere talora in facies calcarenitica.
Procedendo verso SW non è sempre possibile definire con certezza le caratteristiche morfo-litologiche del substrato. Nell'area centrale, a SW di Udine, esso é evidenziato in maniera puntiforme dalle stratigrafie dei pozzi di ricerca AGIP di Terenzano e Lavariano, dall'affioramento di un lembo roccioso a Pozzuolo del Friuli e dalle recenti ricerche svolte sui campioni provenienti da un pozzo per acqua in località Variano in comune di Basiliano.
Il basamento, se si esclude un'area circostante il pozzo di Terenzano (ove è in facies di Flysch), é sempre caratterizzato da depositi miocenici, in facies siltitica o arenacea, potenti diverse centinaia di metri. A Lavariano i depositi miocenici (400 metri circa di potenza) si incontrano dalla profondità di 512 metri dal piano campagna fino a fondo pozzo, cioè fino a circa 900 metri di profondità.
La stessa situazione, con un substrato generalmente attribuibile al Miocene in facies molassica dovrebbe essere presente in destra Tagliamento. In effetti mancano dati profondi diretti nel sottosuolo del conoide Cellina-Meduna, ma gli affioramenti nell'area pedemontana dei litotipi miocenici unitamente ai dati di geofisica profonda portano a tale conclusione. D'altronde la presenza di potenti livelli conglomeratici e la scarsa profondità delle investigazioni dirette mascherano il basamento prequaternario.
Per quanto riguarda la parte più orientale, il substrato al di sotto della piana isontina é in facies di Flysch, mentre risulta essere carbonatico (probabilmente del Cretacico superiore) più a sud, nella piana compresa tra S. Pier d'Isonzo, Ronchi dei Legionari, Sagrado e Villesse.
Nella Bassa pianura é stato incontrato il substrato in facies di Flysch (attribuibile all'Eocene medio-superiore) nella zona di Grado mentre procedendo verso ovest le caratteristiche del basamento cambiano sostanzialmente in quanto depositi sicuramente prequaternari presentano talora parametri idrogeologici e litologici molto simili a quelli dei depositi alluvionali quaternari sovrastanti. Il tetto del "substrato rigido" non corrisponde in tal caso con il letto del Quaternario in quanto può essere sovrastato da depositi prequaternari.
Questi consistono in una successione eterogenea di litotipi clastici, più o meno fini (argilliti, marne argillose, arenarie) e più o meno cementati, ai quali sono intercalati livelli permeabili dati da conglomerati fessurati o da sabbie. Questa successione stratigrafica, come recentemente evidenziato dall'AGIP, appartiene al Miocene e rappresenta la prosecuzione in profondità, al di sotto dei depositi alluvionali, delle compagini affioranti ai bordi delle Prealpi veneto-friulane.
I litotipi miocenici costituiscono il basamento di tutta la pianura in provincia di Pordenone e sicuramente di una parte della Bassa pianura in sinistra Tagliamento (Lignano Sabbiadoro, Latisana, Precenicco, Palazzolo dello Stella). Non risulta tuttavia chiaro come nel sottosuolo della Bassa pianura avvenga il passaggio tra la formazione torbiditica
eocenica e quella clastica del Miocene.
