落合化石層は、那須複合扇状地の南東最扇端部、余笹川と黒川の合流点の河川敷地内にある。ここは、かつては海底であった所である。現在この付近は、余笹川の浸食を受け、15～20mの断崖が発達している。

この化石層は、新生代第三紀中新生以降（2500万年前）、塩谷層群鹿股層上部層準に位置し、岩質は、グリーンタフ時代末期の海底火山による噴出物及び海状砂泥堆積物でできた凝灰質砂岩及び凝灰質泥岩である。

最も多く採集される化石は、腔腸動物、六射サンゴで、その他腕足動物のチョウチン貝や軟体動物腹足類のエゾバイ貝とオキナエビスなどである。化石種から見ると比較的暖海性の貝類が多いので、当時この辺の海は暖かくまたかなり浅い海であったと考えられている。

現在この付近の地質は、風化が大で、もろく、母岩の風化が進んでいるため、完全な標本の採集は難しい。