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,广元、雅安、叙永、云阳为菱形的四顶点,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)。