Si tratta di una unità torbiditica marnoso-arenacea costituita da marne siltose muscovitiche di colore grigio-azzurro apparentemente omogenee alternate a livelli di areniti feldspato-litiche a grana fine. Lo spessore delle areniti tende a diminuire verso la parte alta della formazione passando da valori attorno al metro alla base a spessori di 4-5 cm al tetto. Entro la formazione sono osservabili ritmi che presentano spessori massimi sui 40 m nella parte inferiore e sui 20 m in quella superiore.

È ben rappresentata, con spessori fino a 5-600 m, nei due bacini di M. Luro - M. delle Forche e di Montecalvo in Foglia - Isola del Piano, separati dalla dorsale di Montefiore Conca-Fontecorniale, che doveva essere localmente in emersione. Nel terzo bacino di Pietrarubbia-Peglio invece, la Formazione di S. Donato è rappresentata da spessori ridotti a pochi metri.

Nel bacino di Montecalvo in Foglia - Isola del Piano l'unità poggia nelle zone centrali sulle Marne Bituminose mentre nelle zone marginali giace anche sopra il Calcare di base, sulle «facies caotiche» sopra ai Gessi o sulla Formazione marnoso-arenacea.

Nel bacino di M. Luro - M. delle Forche la formazione poggia su vari terreni (Gessi e Marne bituminose). Immediatamente a NE della dorsale Montefiore Conca-Fontecorniale raggiunge un forte spessore e giace, in apparente continuità di sedimentazione, sopra il Tripoli. È possibile che la sedimentazione sia iniziata in quest'area sin dal Messiniano inferiore, in concomitanza con la fase tettonica che ha segmentato l'area del bacino in varie depressioni entro le quali si depositavano le Marne Bituminose.

Nella parte inferiore media dell'unità è presente un orizzonte cineritico, costituito cioè quasi esclusivamente da vetro vulcanico ("cenere"). È possibile osservare questo orizzonte in corrispondenza di un affioramento naturale che si incontra lungo l'alveo del fiume Metauro, immediatamente a valle della briglia di Calcinelli. Esso appare costituito da almeno cinque strati vulcanoclastici per uno spessore cumulativo di circa 80 cm e con spessore massimo di una singola cinerite di 30 cm.

Le cineriti sono spesso gradate ed in qualche caso laminate, con granulometria compresa tra i 100 ed i 350 m.

Si tratta di eventi di tipo piroclastico, generati cioè dalla ricaduta di materiali vulcanici prodotti da attività di tipo esplosivo. Simili orizzonti, se pur insignificanti dal punto di vista del loro spessore rispetto all'intera successione sedimentaria, sono molto importanti in quanto per prima cosa rappresentano dei cosiddetti "livelli guida" (in inglese marker beds) utili in Geologia in quanto, data la istantaneità (geologicamente parlando) della loro deposizione permettono una sicura correlazione stratigrafica fra serie litologicamente diverse o fra loro lontane; in secondo luogo questi livelli, essendo formati da minerali che cristallizzano praticamente nel momento della loro emissione dai centri eruttivi, "registrano" la data in cui si sono formati grazie a lenti processi di decadimento di taluni isotopi radioattivi che in essi sono contenuti, consentendo così di datare con esattezza, attraverso sofisticate tecniche, sia la data della loro formazione, sia, per logica conseguenza, l'età del sedimento entro cui si rinvengono.

Sono state in effetti eseguite in passato determinazioni radiometriche su tale orizzonte che hanno permesso di stabilirne un'età assoluta di 7,4 milioni di anni. Tali analisi tuttavia non sono state eseguite su un campione prelevato nell'affioramento ora descritto ma su campioni provenienti da altre località sia della Formazione di S. Donato che delle coeve formazioni del bacino marchigiano centro-meridionale. A questo proposito è interessante osservare che, nell'insieme, la Formazione di S. Donato è simile, per litologia e posizione stratigrafica all'intervallo post-evaporitico della Formazione della Laga affiorante nell'ascolano.