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，峨眉小金顶及清音阁一带的玄武岩就在这时生成。
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“巴蜀湖”，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。1957年在合州发现的“合州马门溪龙”身长22米，高3.5米，是我国亚洲最大和最完整的恐龙化石。
7000万年前的白垩纪末期，发生又一次强烈的地壳运动“燕山运动”。盆地四周山地继续隆起，同时产生不少大断层，如西部的龙门山大断层和东部的华莹山大断层，把盆地分为三部分。巴蜀湖缩小为仅有2万平方公里的蜀湖。封闭的盆地地形及急剧缩小的水面，使气候逐渐变得干热，沉积物由海相、海陆交替相变为陆相，大量风化、侵蚀、剥蚀的物质在盆地堆积了数千米厚，形成红色和紫红色的砂、泥、页岩。裸子植物不断衰退，恐龙神秘的灭绝了。内陆湖泊在干燥条件下，经强烈蒸发，浓度增大，盐分不断积累，形成盐湖，后来泥沙掩埋而保存于地层之中，经过漫长的地质作用形成岩层，自贡一带是著名的井盐产地。
2000多万年前的新第三纪，受喜马拉雅造山运动的影响。距今二、三百万年的第四纪，地壳再次发生构造运动。巫山两侧水系溯源侵蚀，共同切穿巫山，形成举世闻名的长江三峡，盆地之水纳入长江水系。从而，四川盆地由内流盆地变为外流陆盆，由封闭的内流区变为外流区，由以堆积为主变为侵蚀为主，经历了海盆——湖盆——陆盆的沧桑之变。
第四纪是冰川广布的时代，盆地西北山地发育大量冰川。冰川消融后，大量沉积物由岷江、沱江等携带，堆积在西部的凹陷区，即以前的蜀湖之中，最终形成了成都平原。
