数亿年前，四川还是一片波涛汹涌的辽阔海洋，其海床为地球早期形成的一套巨厚的以海相碳酸盐岩为主的地层。到距今2.5亿年左右的三叠纪，这片区域还属于特提斯海的外围。与开阔海水交流受阻，逐渐沉积了一套最厚可达500米，富含盐类的岩石，成为四川盐卤资源的源头。局部地方还曾发生过火山喷发，留下了神奇“绿豆岩”。[11]
在距今2亿年左右的侏罗纪构造板块俯冲碰撞，特提斯海逐步消亡。川西地区抬升成陆，地壳物质向东挤压，形成了古龙门山。山体压弯岩石圈，从而在其东侧形成了前路盆地，成为四川盆地的最早雏形，范围远大于现在地理地貌上的四川盆地。同时来自山脉的岩石碎屑等物质，在盆地中逐渐填充沉积，早期覆盖的海水变得越来越浅，逐步成为海陆交互的沼泽。[11]
气候温暖湿润，蕨类、苏铁和裸子植物大量生长，为后期煤矿的形成提供了重要基础。随着构造凹陷继续发力，湖相盆地面积越来越大，充填也越来越快，现今意义上的“四川盆地”轮廓逐步形成，其内河流、湖沼纵横一度成为恐龙的乐园。[11]
到7000万年前的白垩纪末期，全球火山喷发导致盆地气候逐渐变得干热，植物不断衰退，恐龙灭绝。大量岩石碎屑等物质在盆地堆积，形成了厚达数千米的红色和紫红色砂、泥、页岩，四川盆地成为著名的红色盆地。
在距今4000万-3000万年左右，随着青藏高原的隆升，地壳物质分别向东向南流展，复杂的构造应力在四川盆地周缘造就了龙门山、大巴山、七曜山和大相岭等多条山脉。四川盆地基本定型，并完成了由湖相盆地到陆相盆地的转变。[11]
此后在青藏高原构造应力的持续作用下，形成了一系列呈北东-南西向线状延伸的褶皱山，如龙泉山、华蓥山。龙门山前，构造凹陷依然强烈，滔滔岷江和沱江带来的巨量砂卵石逐渐堆积在凹陷中，厚度达500多米，如同缓冲垫一样，极大减轻了龙门山地震的破坏力，成就了舒适宜人的成都平原区。与川东平行林谷区、盆周低山丘陵区、川中丘陵区共同组成了四川盆地的整体地貌。[11]