天津市境的陆地经历过“沧海桑田”多次变迁。天津地区最古老的岩石，出露于蓟县下营镇常州村至天津八仙山国家级自然保护区明安梁子一带，呈北北西一南南东向分布，面积约2.2平方公里。据钾(K)一氩(AR)法同位素科学测年，是距今约30亿年前的太古宙迁西群片麻岩。它构成天津陆地最早的岩石基底，并奠定了天津陆地形成与发展的基础。

距今18亿年前，受“吕梁运动”影响，天津及整个华北地区产生大面积强烈拗陷。18亿～8亿年前被海水侵入形成浅海，沉降中心在蓟县、兴隆与平谷一带，沉积了厚达9197米的中上元古界海相地层。天津及华北其他地区，是一片相对稳定的浅海，沉积厚度一般在1000米左右。

距今约8亿年的中上元古界末期，天津及华北地区北部发生一次地壳运动。因蓟县受其影响最明显，地质学家称这次地壳运动为“蓟县运动”。天津及华北地区上升隆起，海水退出，结束了燕山地区历时10亿年海洋占据的历史。直至距今约6亿年前，在长达2亿年的漫长时期，天津地区都是陆地环境。经过长期的风化、侵蚀、剥蚀、搬运、堆积作用，地表高差已相差不大，形成了古准平原形态。

距今5.6亿年的早古生代寒武纪时，天津地区除蓟县北部外，均遭受海侵，变成浅海。直至距今4.6亿年早古生代中奥陶世，都是海洋占优势的时代，海侵达到最大规模，天津绝大部分地区浅海广布，海底沉积了一套寒武系至中奥陶统的石灰岩、白云岩等碳酸盐类海相地层，不整合分布于中上元古界古准平原面之上。天津平原下部普遍分布着这一套海相地层。

距今4.5亿年的早古生代上奥陶世，天津地区又大面积抬升，海水撤出，变成被侵蚀剥蚀的陆地环境。距今约3亿年的晚古生代中石炭世，天津平原地区才下沉，海水侵入低洼地区，形成石炭—二叠系海陆交互相含煤地层。从此一直到新生代第四纪早期，天津市境都是陆地环境，未被海水淹没过。
发生于距今1.35亿年的中生代“燕山地壳运动”，使天津蓟县北部褶皱隆起成燕山山脉，蓟县城关以南的平原地区断裂下沉，形成华北拗陷带和渤海拗陷。

距今6500万年至300万年的新生代第三纪时期，天津地区是古渤海湖泊的一部分，湖盆最低处在今塘沽以东约33公里处的渤海湾中。据地质钻孔揭露，那里的老第三系湖泊沉积层厚达2000米，新第三系湖泊沉积层厚达3000米。第三纪时，黄海和渤海还是陆地，海底下部为一套河流冲积及湖泊沉积物。
渤海是中国最年轻的海，形成于距今约15万年前的新生代第四纪中更新世晚期。天津平原濒临渤海湾，渤海形成以后，受世界洋面上升与下降的影响，也出现过几次高海面与低海面的变化。天津滨海平原地势低洼，随着渤海高海面与低海面的变化，发生过数次海侵与海退。天津滨海平原地下发现多层含有大量海生动物遗体的海洋沉积地层。它们是：地表以下埋深40～70米，其年代距今约7万～10万年的海侵地层；地表以下埋深20～45米，其年代距今约2.4万～3.9万年的海侵地层；地表以下埋深0～25米，其年代距今为5500～8000年的海侵地层。

距今最近一次的海侵，发生于距今8000～5500年全新世的世界气候最暖时期，渤海登陆内侵，海岸线深入天津平原达数十公里，专家们称之为“天津海侵”。大致相当于现代地形等高线5米以下的天津市中心区、近郊区、塘汉大的全部及宁河、宝坻、武清的大部分，静海县的全部地区，在5500年前均被渤海侵没，变成一片汪洋。

距今约5500年左右，受世界气候变冷、海面下降影响，“天津海侵”开始后退。在海退成陆过程中，发生过4次相对稳定的停顿，每次停顿的时间大约在1000年左右，形成了四道古海岸线的遗迹一贝壳堤。根据对各贝壳堤组成物质一贝壳的放射性同位素科学测定，四道贝壳堤的形成年代，从老到新分别是：第Ⅳ道贝壳堤形成于距今4500～4700年前；第Ⅲ道贝壳堤形成于距今2800～3800年前；第Ⅱ道贝壳堤形成于距今1500～2600年前；第1道贝壳堤形成于距今约700年前。

贝壳堤为古海岸的标志，从贝壳堤的年龄也可以看出天津滨海平原成陆的步伐。4700年前大港区翟庄子贝壳堤以西成陆；3800年前东丽区张贵庄、津南区巨葛庄、大港区沙井子贝壳堤以西成陆，天津市区电报大楼一带4000年前成陆；2600年前东丽区白沙岭、军粮城，津南区西泥沽、邓岑子，大港区上古林、马棚口贝壳堤以西成陆；700年前，渤海西岸海岸线基本稳定下来，形成现今的海陆分布形势。

天津滨海平原的海退成陆的原因，一方面是由于全球性气候渐趋变冷、海面下降；另一方面黄河曾数次改道从天津地区人海，携带巨量泥沙堆积在天津滨海地区，迫使渤海西岸后退。据河南省陕县水文站多年观测资料计算，黄河每立方米水中多年平均含沙量为34公斤，一年之内通过陕县的多年平均输沙量为13.6亿吨(折合9亿立方米)。如果用这些泥沙铺成高、宽各1米的土方，可以绕地球赤道22周；如果用来铺成1米厚的土地，可以造成一块135万亩平原。现在黄河每年经河口向渤海输送的泥沙是12亿吨，填海造陆23平方公里，能将河口海岸线向海推进2.5公里。由此可知，黄河在推进天津海退成陆，塑造天津平原中建树了丰功伟绩。