四川盆地是扬子陆台一部分，称为四川陆台，属于较稳定的地区，但仍经过两次大规模的海浸（在相对短的地史时期内。
由于海面上升或陆地下降，造成海水面积扩大，陆地面积缩小，海岸线向陆地内部推进的地质现象）。
两次海浸使得四川盆地在海洋和陆地之间交替，直到距今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，是一个成煤期，永荣煤矿就在这个时期形成。而这一时期爬行动物恐龙称霸，1957年在合川发现的“合川马门溪龙”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。
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。
