四川盆地属扬子准地台四川台坳。古生代时相对隆起,缺乏泥盆系和石炭系。印支运动转换为大型拗陷,晚燕山运动,特别是喜马拉雅运动后发生褶皱隆起。盆地的格局主要受北东—南西向及北西向两条构造线控制,构成了典型的菱形盆地,四川广元、四川雅安、四川叙永为菱形的四顶点,东西两边稍长,为380~430公里,南北两边略短,为310~330公里。以上菱形四顶点的连线与盆地内650~750米的等高线大体相当,盆地底部与边缘山地也以此为分界。四川盆地在距今1.4亿年以前,还是内陆湖盆。至距今6.6千万年时,盆地边缘山地迅速隆升,长江中上游水系开始沟通。盆地内湖水东泻奠定了现今之地貌形态。盆地边缘多低山和中山,山势陡峻,发源盆地边缘山地的河流大多为“V”型谷,岭谷高差都逾500~1 000米, 地表崎岖,故历史上就有“蜀道难,难于上青天”之说。山脊海拔大多在2000~3000米,西北部与西部可超过3000~4000米,如龙门山4984米,峨眉山3099米,小相岭4 791米。地表广泛出露古生代及其以前的石灰岩,其次为板岩、片岩、结晶灰岩、石英岩、砂泥岩和砾岩,局部有花岗岩和玄武岩。石灰岩分布区可见石林、溶洞、暗河、槽谷等喀斯特地貌,盆地南缘兴文县素有“石林洞乡”之称(见兴文石林)。巫山十二峰和金佛山等名山主要也由石灰岩发育而成。由石灰岩、玄武岩、花岗岩等组成的峨眉山及由砂泥岩、砾岩组成的青城山,素有“峨眉天下秀”、“青城天下幽”之称,为中国著名游览胜地。盆地底部海拔多数在250~700米,地势东南倾,盆地内各河流均由边缘山地汇聚盆地底部的长江干流,形成向心状水系。地表为大面积的中生代紫红色砂岩与泥岩所覆盖,故称“红层盆地”,是中国中生代陆相红层分布最集中地区。四川盆地为丘陵性盆地,底部以丘陵为主,次为低山和平原。
海盆时期
四川盆地属扬子陆台一部分,称为四川陆台,属较稳定的地区,但仍经过两次大规模的海浸。第一次从5亿多年前的寒武纪开始,延续到3.7亿多年的志留纪,不断下陷成了海洋盆地,志留纪时发生加里东运动,除了西部的龙门山地槽继续下陷外,其余地区上升为陆。2.7亿年前的石炭纪末,发生范围更大的第二次海浸,盆地再次为海洋占据。二叠纪时海陆交替,形成重庆附近的南酮、松藻、天府等煤矿。二叠纪末,盆地西部岩浆喷出,峨眉山小金顶及清音阁一带的玄武岩就在这时生成。
湖盆时期
距今1.9亿年的三叠纪,“印支运动”使盆地边缘逐渐隆起成山,被海水淹没的地区逐渐上升成陆,由海盆转为湖盆。当时湖水几乎占据现今四川盆地的全境,称为“蜀湖”,从此结束了海浸的历史。在中生代漫长的1亿多年里,盆地气候温暖湿润,到处生长蕨类、苏铁和裸子植物,是又一个成煤期,永荣煤矿即在三叠纪和侏罗纪时形成。东起长寿、垫江,西到江油、邛崃,北抵大巴山麓,南到贵州赤水,还是天然气富集区。这一时期爬行动物恐龙称霸一时。