从太古代到第四纪，天津地区地质发展历时30亿年以上，经过了三个大地构造发展阶段，即地台基底形成阶段，地台盖层发育阶段和大陆边缘活动带阶段。其中两个重大的转折期为吕梁期和印支期，见下表。

太古代至早元古代期间的地壳演化，形成了华北地台的结晶基底。从中元古代开始，天津地区随华北地台的演化而进入地台发育阶段。

中晚元古代天津地区隶属于燕山裂陷槽。常州沟期～大红峪期为裂陷槽的形成阶段，高于庄期～铁岭期为发展阶段，青白口纪则是裂陷槽的萎缩时期，不同阶段地壳沉降速度不同，海侵范围大小不同，相应的沉积建造类型及分布区域也就不同，其中雾迷山期地壳整体大幅度沉降，形成一个广阔的陆表海，天津地区为潮坪环境，发育了一套厚数千米的海相碳酸盐岩地层。

青白口纪末的蓟县运动使天津地区整体上升为陆，随之在整个长达两亿年左右的震旦纪时期，天津地区一直处于隆起剥蚀状态。

天津地区古生代为地台盖层稳定发育时期，地壳经历了两次沉降和两次大规模抬升，第一次沉降发生在寒武纪至奥陶纪之间，形成了一个滨海～浅海环境，并发育了一套海侵旋回的碳酸盐岩沉积建造。之后，从中奥陶世晚期一直到早石炭世，地壳大规模整体抬升，未接受沉积。地壳第二次沉降始于中石炭世本溪期，形成海陆交互的环境及相应的沉积建造，晚石炭世太原期地壳再次抬升，至太原期末，天津地区结束了大量海相地层的发育史。

二叠纪沧县隆起天津段已具雏形，到三叠纪已基本形成。晚三叠世，由于印支运动的影响，形成了一系列轴向北西（NW）向的纵弯褶皱和北东（NE）向断裂，从而结束了地台盖层发育阶段。

由上可知，无论是中、上元古界，还是寒武系、奥陶系海相地层，在其形成后都紧随着一次构造抬升，地层遭受风化、淋滤、剥蚀，形成一系列裂隙及溶沟。印支运动将上述地层纳入同一褶皱系列，之后再次隆起剥蚀，并且随着断裂的发生发展，使溶蚀的历史更加漫长。这种裂隙～岩溶结构，为地层储水创造了先决条件。

晚三叠世开始，天津地区进入大陆边缘活动带发展阶段，由燕山期和喜山期两个构造发展期所组成。燕山期以裂陷盆地和中酸性火山喷发为特征，在黄骅、武清、白塘口等地区及塘沽东北三间河一带，发育了一套河、湖、沼泽相沉积建造及安山、玄武质火山岩。

晚白垩世至古新世，受库拉板块俯冲的影响，天津地区处于隆起剥蚀状态。直至始新世，又进入了一个新的发展时期。其中沙河街期是裂谷发育最旺盛时期，此时早期形成的各裂陷盆地水域逐渐连通，发育了一套内陆湖相沉积，并伴有碱性玄武岩的溢出。从大的区域上说，晚白垩世至早第三纪期间，太平洋板块与库拉板块之间的库拉～太平洋脊倾没于日本岛弧之下。倾没的洋脊及热板块的倾向扩张作用，使我国东部发育了一系列大型张性地堑、地垒构造。由于均衡调整，地堑发育区的地壳厚度减薄，地幔上拱。伴随地壳的减薄和张裂，上地幔物质上涌，岩浆活动应运而生。由此，一些学者估计当时华北地堑系的平均热流值应大于0.1焦/平米·秒。

晚第三纪期间，受大区域构造发展的控制，隆起和裂陷作为一个独立的构造单元已不存在，而是以整体拗陷并入华北沉降带中。此时，天津地区发育的馆陶组和明化镇组，为一套河流相沉积，岩性主要为砂岩夹泥岩。其中砂层厚度大，胶结性差，渗透性好。这种砂岩、泥岩相隔的构造为热流体的赋存提供了先决条件。

第四纪天津地区主要发育了一套河流相的沉积建造，偶尔伴有海侵。