A Kárpát-medence ma ismert formája hosszú évmilliók alatt alakult ki. Kezdetben inkább a nagy hegységképző erők alakították, majd a Föld tektonikai intenzitásának csökkenésével egyre inkább a Nap, a szél és a víz formáló ereje dominált.
A legidősebb kőzetek a Kárpát-medencében kb. 1 milliárd évvel ezelőtt alakultak ki. Ezek metamorf (átalakult, nagy nyomás és hő hatására keletkező) kőzetek, főleg gneisz és csillámpala. Az Alföld mélyén, a Mecsek és a Zempléni-hegység mélyebb rétegeiben találhatók meg. Ezzel kapcsolatban egy megjegyzés, hogy a XX. század elején úgy gondolták, hogy az Alföld mélyén egy hatalmas kristályos kőzettömb található, amit Tisia-tömbnek neveztek el. Ez az elmélet az Alföld természeti kincsei utáni kutatás közben végzett fúrások során megdőlt.
A földtörténeti ó időben képződtek a Kisalföld, a Kőszegi-hegység és a Balaton-felvidék mélyén található metamorf és üledékes kőzetek. Ekkor keletkezett a Velencei- hegység gránitja, ami a Variszkuszi-hegységképződéssel hozható szoros összefüggésbe. Ez a folyamat a déli szélesség 25. foka környékén, a mai Zambézi vidékén következett be. Ennél is idősebb a Mecsek lábánál elterülő mórágyi rög, ami kb. 350 millió éves és a déli szélesség 10. foka körül, a mai Kongó területén képződött.
Az élet első nyomai a hazai kőzetekben a Balaton-felvidéken található palás kőzetekben lelhetők fel, ezek kora 430-450 millió év. Ebben az időszakban a Kárpát-medence a déli féltekén helyezkedett el, trópusi éghajlat volt jellemző rá. A hazai üledékes kőzetekben ostoros moszatok, mészvázas egysejtűek, hidraállatok nyomai találhatók meg, majd később már csigák, korallok maradványai is. Az óidő karbon időszakában képződtek a jó minőségű széntelepek. Ekkor a Kárpát-medence területét kiterjedt mocsarak, párás páfrány- és zsurlóerdők uralták, ahol épp kezdett megjelenni a szárazföldi élet. A Velencei-hegység, a Balaton-felvidék és a Mecsek egyes metamorf kőzetei, valamint dolomit, homokkő képződtek. A perm időszakban a medence területe egyre inkább észak felé vándorolt, aminek a következménye egy sivatagos, félsivatagos időszak. Ebben az időben jelentek meg az első szárazföldi hüllők, amely állatokból zömmel csak a lábnyomaik maradtak meg. A növényvilágban megjelentek a tűlevelűek és az ősi pálmák. Ebben az időszakban keletkezett a Mecsekben található uránérc.
A középidőszak jelentős momentuma, hogy a Pagea (szuperkontinens) széttöredezett, öblök, beltengerek szabdalták fel, kontinentális kéregdarabok kezdték meg ma is folytatódó mozgásukat. Ekkor keletkezett a Dunántúli-középhegység, valamint a Bükk és az Aggteleki-karszt mész- és dolomittömege, illetve a jelentős értékkel bíró bauxit- és mangántelepek.
Az új időben a kéreglemezek közeledésével a Tethys-tenger feneke fokozatosan emelkedett, és partjai közeledtek egymáshoz, aminek a következtében egyre kisebb lett a területe, és fokozatosan kiédesedett a vize. Előbb Parathetys, majd Pannon-tenger, végül Szlavón-tó lett belőle.
Kb. 20 millió évvel ezelőtt alakult ki a Kárpát-medence egységes aljzata a Zágráb-Kaposvár-Miskolc vonalon két kisebb kőzetlemez közreműködésével. Ekkor kezdődött meg a Kárpátok takaróredős szerkezetű hegyláncainak intenzív felgyűrődése is, tehát ettől az időponttól beszélhetünk Kárpát-medencéről. Ami érdekesség, hogy az idősebb kőzetek vannak északabbra, míg a fiatalabbak délebbre, ami a kontinensvándorlások intenzív voltának állítanak emléket. Példa rá a Mecsek 130 millió éves üledékes kőzetei, melyek a déli szélesség 38. fokán keletkeztek, valamint a Velencei-hegység andezitje, ami a déli szélesség 27. fokán keletkezett, mégis hazánkban ez utóbbi van északabbra.
A medencét ekkor a folyók munkájának köszönhetően nagy mennyiségű üledékes kőzet (lajta mészkő, márga, tömörödött folyóvízi üledék) kezdte el kitölteni. Ez egyes alföldi területeken a 6 000 méteres vastagságot is eléri.
A 19 és 14 millió évvel ezelőtti időszakban képződtek az Északi-középhegység vulkáni hegyei (pl. Zempléni-hegység, Mátra). A vulkáni aktivitás a kőzetlemezek lassuló mozgásával összefüggésben egyre mérsékeltebb lett. A Balaton-felvidék bazaltvulkánjai 6-3 millió évvel ezelőtt keletkeztek, míg a legutolsó kitörésekkel járó vulkánosság 2,2 millió évvel ezelőtt Nógrád megyében a Karancs, Medves-hegyeknél zajlódott le.
A pleisztocén korban keletkeztek hazánkban a lösszel borított területek, valamint a laza folyóvízi üledékek (allúvium, ami agyag, homok, kavics), és lassan kialakult az a kép, ami manapság is jellemzi a Kárpát-medencét. Az éghajlat, illetve a természeti adottságok hatására megjelentek a medencére ma is jellemző növény és állatfajok.
A Bükk előterében lerakódott vulkáni hamuból kialakult ún. „kaptárkövek” Cserépváralja közelében.
A Szent-György-hegy bazaltorgonái
A Badacsony látképe
