Le vignoble de Châteauneuf du Pape regroupe quatre types de sols : les vignes peuvent être plantées sur les célèbres galets roulés, des sables, des calcaires (sur l’ouest et le centre de l’appellation) et enfin des grès rouges, qui sont des sables avant décomposition et que l’on trouve plutôt sur le centre-est de Châteauneuf du Pape.
Les galets roulés, emblématiques du vignoble et du terroir de l’appellation, ont la particularité de restituer aux grappes de raisin la chaleur emmagasinée au cours de la journée. Ils participent ainsi à un parfait mûrissement des baies. Assainissant la vigne, ils empêchent également le développement de certaines maladies, l’eau s’évaporant à leur contact.
Le sous-sol du vignoble de Châteauneuf du Pape est le plus souvent constitué d’argile rouge. Pour s’alimenter en eau, la vigne peut s’y enraciner jusqu’à trois mètres de profondeur et puiser l’eau dont elle a besoin sans avoir recours à de l’irrigation artificielle, potentiel facteur de dilution des vins.