四川盆地屬揚(yáng)子陸臺(tái)一部分,稱為四川陸臺(tái),屬較穩(wěn)定的地區(qū),但仍經(jīng)過(guò)兩次大規(guī)模的海浸.第一次從5億多年前的寒武紀(jì)開(kāi)始,延續(xù)到3.7億多年的志留紀(jì),不斷下陷成了海洋盆地,志留紀(jì)時(shí)發(fā)生加里東運(yùn)動(dòng),除了西部的龍門山地槽繼續(xù)下陷外,其余地區(qū)上升為陸.2.7億年前的石炭紀(jì)末,發(fā)生范圍更大的第二次海浸,盆地再次為海洋占據(jù).二疊紀(jì)時(shí)海陸交替,形成重慶附近的南酮、松藻、天府等煤礦.二疊紀(jì)末,盆地西部巖漿噴出,峨眉小金頂及清音閣一帶的玄武巖就在這時(shí)生成.
距今1.9億年的三疊紀(jì),“印支運(yùn)動(dòng)”使盆地邊緣逐漸隆起成山,被海水淹沒(méi)的地區(qū)逐漸上升成陸,由海盆轉(zhuǎn)為湖盆.當(dāng)時(shí)湖水幾乎占據(jù)現(xiàn)今四川盆地的全境,稱為“巴蜀湖”,從此結(jié)束了海浸的歷史.在中生代漫長(zhǎng)的1億多年里,盆地氣候溫暖濕潤(rùn),到處生長(zhǎng)蕨類、蘇鐵和裸子植物,是又一個(gè)成煤期,永榮煤礦即在三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)時(shí)形成.東起長(zhǎng)壽、墊江,西到江油、邛崍,北抵大巴山麓,南到貴州赤水,還是天然氣富集區(qū).這一時(shí)期爬行動(dòng)物恐龍稱霸一時(shí).1957年在合州發(fā)現(xiàn)的“合州馬門溪龍”身長(zhǎng)22米,高3.5米,是我國(guó)亞洲最大和最完整的恐龍化石.
7000萬(wàn)年前的白堊紀(jì)末期,發(fā)生又一次強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)“燕山運(yùn)動(dòng)”.盆地四周山地繼續(xù)隆起,同時(shí)產(chǎn)生不少大斷層,如西部的龍門山大斷層和東部的華瑩山大斷層,把盆地分為三部分.巴蜀湖縮小為僅有2萬(wàn)平方公里的蜀湖.封閉的盆地地形及急劇縮小的水面,使氣候逐漸變得干熱,沉積物由海相、海陸交替相變?yōu)殛懴?大量風(fēng)化、侵蝕、剝蝕的物質(zhì)在盆地堆積了數(shù)千米厚,形成紅色和紫紅色的砂、泥、頁(yè)巖.裸子植物不斷衰退,恐龍神秘的滅絕了.內(nèi)陸湖泊在干燥條件下,經(jīng)強(qiáng)烈蒸發(fā),濃度增大,鹽分不斷積累,形成鹽湖,后來(lái)泥沙掩埋而保存于地層之中,經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用形成巖層,自貢一帶是著名的井鹽產(chǎn)地.
2000多萬(wàn)年前的新第三紀(jì),受喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)的影響.距今二、三百萬(wàn)年的第四紀(jì),地殼再次發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng).巫山兩側(cè)水系溯源侵蝕,共同切穿巫山,形成舉世聞名的長(zhǎng)江三峽,盆地之水納入長(zhǎng)江水系.從而,四川盆地由內(nèi)流盆地變?yōu)橥饬麝懪?由封閉的內(nèi)流區(qū)變?yōu)橥饬鲄^(qū),由以堆積為主變?yōu)榍治g為主,經(jīng)歷了海盆——湖盆——陸盆的滄桑之變.
第四紀(jì)是冰川廣布的時(shí)代,盆地西北山地發(fā)育大量冰川.冰川消融后,大量沉積物由岷江、沱江等攜帶,堆積在西部的凹陷區(qū),即以前的蜀湖之中,最終形成了成都平原.