Калачская возвышенность сложена верхнемеловыми (
мел,
мергель) и палеогеновыми (глины, пески, песчаники) отложениями, перекрытыми ледниковыми отложениями и лёссовидными покровными суглинками. Рельеф долинно-овражно-балочный. Главные реки — левые притоки Дона: Осередь, Толучеевка, Песковатка.