El término municipal de Los Santos de la Humosa pertenece desde el punto de vista geológico a la cuenca del tajo (depresión de origen tectónico), diferenciándose dos dominios litológicos: uno de materiales de edad Neógena (entre 23 y 1,6 millones de años) y el otro de materiales cuaternarios ((1,8 millones de años hasta la actualidad).

Existen evidencias de la presencia de restos orgánicos petrificados-fósiles dentro del municipio que constituyen en algunas ocasiones  verdaderos yacimientos paleontológicos, centrándose principalmente su aparición en dos formaciones litológicas de edades diferentes. Por un lado, del Mioceno Medio (16,2 a 11 millones de años) los fósiles que más abundan son los reptiles, tortugas terrestres y mamíferos (oso, erizo, liebre y roedores). Por otro lado, del Mioceno Superior (11 a 5,3 millones de años), restos vegetales, gasterópodos y ostrácodos.

El curso de agua más importante del municipio lo constituye el río Henares, perteneciente a la cuenca hidrográfica del Tajo nace en Sierra Ministra, entre Soria y Guadalajara, tiene un curso de 113 Kilómetros y cruza el término municipal por su lado norte en dirección Este-Oeste; su caudal medio en el periodo 1991-1995 fue de 254.000 metros cúbicos / día.

Los Santos de la Humosa es rico en aguas subterráneas, al disponer de un acuífero con tres grandes conjuntos litoestratigráficos que han permitido localizar hasta 25 puntos de agua (abundancia de charcas, fuentes y manantiales). Hay que destacar en el núcleo urbano las fuentes del Parque Municipal, Abrevadero o del Molino, la del Lavadero o de los Mondongos y fuera del núcleo urbano, la Fuensanta, Huerto del Cura y Merina.