熱田層は砂と粘土層の互層で、全体の厚さは最高60mにも達する。粘土層は上から数えて5枚存在する。いちばん下の第5粘土層はとくに厚く、この粘土層と第4粘土層以下の部分で熱田層のほぼ下半部を占めている。これを熱田層下部と称し、それ以上の砂と粘土の互層を熱田層上部と称する。
熱田層下部は，熱田海進期に堆積した厚い海成の第5粘土層を主体としている。この下部層は、名古屋市内では海面下10～40mの深さに分布するが、名古屋市の西および南部から濃尾平野にかけて厚くなり、30mを越えるようになる。浪尾平野の傾動運動の影響も受けて、西にいくに従って分布深度も深くなり、弥富町付近でほ海面下80～120mの範囲こ存在する。この付近ではさらに第5粘土層の下位に、おそらくは熱田期の海進の先駆的堆積物と考えられる砂と粘土の互層が10～20mほど存在する。
一方、東方の名古畳市内では、第5粘土層は直接八事層または矢田川累層上に形成された波食面状のなだらかな面上にのっており、1～2mの薄層になってしまうところもある。第5粘土層直上の砂は花こう質ないし石英質の砂で、第4粘土層以上の砂とかなり成分が異なっている。この砂層はよくしまっておりN値も30以上50前後の値を示す。大曽根付近から笹島にかける帯状の地域は、かつての川すじにあたるためか、この層準は砂れき層となっている。また、南部地域から濃尾平野にかけて、この層準の砂層は欠けて第5粘土層上に直接上位の第4粘土層が重なるようである。