天津市境内分布的地层从老到新有太古界、中上元古界、古生界、中生界和新生界。其中古生界缺失上奥陶统至下石炭统，中生界缺失三叠系中统与上统，新生界缺失第三系古新统。

1.太古界(约30亿～25亿年前)

太古界主要出露于蓟县下营镇常州村至八仙山国家级自然保护区一带，是至今所知世界上最古老的地层之一，属于迁西群跑马场组，铷锶法放射性同位素测定年龄为30亿～25亿年。它主要是受中、深度区域变质作用和}昆合岩化作用而形成的一套变质杂岩，其下部为中粗粒斜长角闪片麻岩。为含金及铁的矿源层。

该地层露头呈北北西向条带状展布，西侧为中上元古界长城系常州沟组下段所超覆，东侧与常州沟组下段成断层接触，向北与河北省兴隆县广泛分布的太古界相连。其顶部与中元古界长城系常州沟组接触处为变质杂岩风化而成的风化壳。风化壳划分为三带：上部为白色含碎屑物质的粘土带；中部为灰绿色绿泥石粘土带；下部为风化片麻岩带。再下为保留原岩结构和矿物成分，无明显蚀变的变质岩。

2.中上元古界(约18亿～8.5亿年前)

中上元古界地层广泛出露于蓟县北部山区及隐伏于天津平原之下。自1934年高振西等对蓟县山区地层进行研究以来，中国许多地质学家经过数十年的深入考察研究，取得多项重大成果。蓟县中上元古界地层其下为太古界迁西群跑马场组变质杂岩，其上为古生界寒武系沧浪铺阶府君山组海相灰岩、白云岩。总厚度为9197米的沉积岩层，可划为3个系、12个组、105层。其中除青白口系、下马岭组(命名地点在北京市门头沟区)、长龙组(命名地区在北京市昌平区)外，各级地层单位的命名地点均在蓟县。蓟县中上元古界地层顶底清楚，出露连续，构造简单，变质轻微，保存完整，不但在中国，甚至在世界上也是罕见的。

3.古生界(6亿～2.25亿年前)

在天津地区有局部地区出露寒武系、奥陶系地层，其余均为中新生界所覆盖。下古生界岩性为砂岩、页岩及灰岩，总厚度1600米。上古生界从海陆交互相过渡到陆相沉积，主要岩性是砾岩、砂岩、页岩及煤层，厚300～800米。

(1)寒武系

在蓟县城北西井峪见府君山组露头，在黄骅拗陷、冀中拗陷钻孔中可见，在蓟玉煤盆地边缘，沧县隆起东侧及双窑凸起东侧钻孔中也可见到。该系可以划分为三统八组。

(2)奥陶系

在该区20里长山见零星露头，分布面积较寒武系广泛，形成沧县隆起的基底，缺失上奥陶统，与下伏寒武系地层呈整合接触。奥陶系分为下统冶里组和中统马家沟组，厚约516～750米，主要岩性为薄层状灰岩、竹叶状灰岩、白云质灰岩及白云岩等。

(3)石炭——二叠系

在天津地区未见露头。此期地层组成古生代向斜的核部，见于蓟玉煤盆地、黄骅拗陷与冀中拗陷；在沧县隆起的北部潘庄凸起及南部白塘口凹陷边缘，也有所发现。为一海陆交互相含煤建造。

4.中生界(2.25亿～0.70亿年)

在该区有侏罗系和白垩系，为多次火山喷发所形成的一套巨厚的陆相火山喷发岩和碎屑岩，其中赋存煤层。露头见于蓟县盘山，在冀中拗陷、黄骅拗陷及沧县隆起的凹陷中也有分布。

5.新生界(0.70亿年～现在)

新生代时期，天津市北部山区继续隆起上升，遭受剥蚀，广大平原地区强烈下沉，接受沉积。早第三纪时，平原基底古地形拗陷、隆起相问排列，拗陷区接受沉积，形成下第三系；隆起区为侵蚀环境，缺失下第三系沉积。晚第三纪时，拗陷与隆起开始整体下沉，接受沉积，直到第四纪。因此，天津地区平原内上第三系、第四系都有分布。拗陷内上第三系、第四系的厚度比隆起上的厚度大。沧县隆起上第三系和第四系的厚度约800～1100米，黄骅拗陷内上第三系和第四系的厚度约1400－2500米(陆地部分)。

(1)第三系

天津地区分布广泛，山区薄，平原区厚，特别在拗陷区沉积齐全。据微古化石与其它地区对比，认为本区缺失古新统沉积。孔店组和沙河街四段属始新统，沙一至三段和东营组属渐新统，与上第三系地层之间存在一个全区性的不整合接触面，上第三系馆陶组底部是一套含石英、燧石的砂砾岩，发育普遍而稳定。下第三系孔店组和沙河街四段主要分布于拗陷中的部分地区，至沙三段开始才普遍再现于拗陷中；而隆起部位上仅在凹陷中有沉积，其它地区缺失。

(2)第四系

主要为一套砂质和粘质土层，除滨海平原为海陆交互相沉积外，其余均为陆相松散堆积，平原区沉积厚度可达数百米，山区于坡顶、沟谷及河流阶地有小面积覆盖。