В более южных районах Восточного Саяна также широко распространены архейские и протерозойские породы: сильно дислоцированные гнейсы, слюдисто-карбонатные и кристаллические сланцы, мраморы, кварциты, амфиболиты. Они образуют ядро антиклинория Восточно-Саянской складчатой зоны и Окинского тектонического поднятия. Кембрийские и ордовикские отложения встречаются преимущественно в западной части Восточного Саяна и в понижении Китойско-Боксонского синклинория. Они представлены зеленокаменными эффузивными и карбонатно-сланцевыми осадочными породами, песчаниками, доломитами и известняками.
Развитие Западного Саяна в условиях геосинклинального режима закончилось в середине ордовика. Здесь в ядре созданного каледонскими движениями Западно-Саянского (Джебашского) антиклинория залегают протерозойские кристаллические сланцы, а кембрийские отложения представлены эффузивами, метаморфическими сланцами, алевролитами и карбонатными породами. В синклинориях они покрыты красными и зелеными песчаниками и сланцами ордовика и силура.
Еще позднее на каледонском складчатом фундаменте сформировались межгорные наложенные впадины — Минусинская, Сыдо-Ербинская и Чулымо-Енисейская. Их заложение произошло лишь в начале девона и было связано с возникновением мощных глубинных разломов в соседних складчатых областях. Опустившиеся участки впадин заполнялись сначала девонскими красноцветными эффузивами, конгломератами, песчаниками, алевролитами и известняками, затем серыми терригенными толщами нижнего карбона (алевролиты, мергели, углистые сланцы) и угленосными свитами нижней перми.
В результате каледонских складчатых движений и внедрений кислых интрузий территория области утратила былую подвижность и превратилась в возвышенную сушу. На протяжении длительного времени — вплоть до конца неогена — горы подвергались интенсивной денудации и превратились в холмистую денудационную равнину. Об этом свидетельствует, в частности, песчано-глинистый состав миоценовых и плиоценовых озерных отложений, сохранившихся в некоторых горных районах Восточного Саяна.
В неогене и начале четвертичного времени произошли мощные сводовые поднятия, осложненные дифференцированными движениями отдельных блоков. В результате их и возникли современные горные хребты и массивы Западного и Восточного Саяна. Молодые поднятия в плане совпадают с направлениями крупных палеозойских структур — преимущественно северо-восточным в Западном Саяне и северо-западным в Восточном. По линии возникших в это время разломов и трещин в Восточном Саяне произошли излияния базальтов, которые образовали на междуречных пространствах покровы мощностью до 200 м. Местами, например в бассейне реки Оки, сохранились конусы недавно потухших вулканов (вулканы Кропоткина и Перетолчина). В середине четвертичного периода Саяны дважды подверглись оледенению. Первое из них (мурхойское) было полупокровным; второе (горно-долинного типа) имело меньшие размеры.
На склонах некоторых вершин, поднимающихся выше 2800 — 3000 м, встречаются и современные ледники, преимущественно небольшие каровые и висячие. Самый крупный из них, расположенный в Пограничном хребте в верховьях реки Хэлегин, спускается до высоты 2320 м; его длина — около 2 км, а площадь — 1,28 км2. Всего в Восточном Саяне более 30 современных ледников общей площадью 25 км2.