秦岭山地是古老的褶皱断层山地，秦岭北部早在4亿年前就已上升为陆地，遭受剥蚀；秦岭南部却淹于海水之中，接受了古生代时期的沉积。在距今3.75亿年的加里东运动中，秦岭南部隆起，露出海面。2.3亿年前晚古生代的海西运动时，秦岭北部也崛起上升，至三叠纪时，因距今1.95亿年的印支运动的影响，秦岭与海完全隔绝，雄伟的身姿基本成型。进入中生代以后，秦岭林区以剥蚀为主，是周围低洼地区的供给地。距今约8千万年的燕山运动使秦岭在形成以断块活动为主的南北褶皱带构造格架后，秦岭又在喜马拉雅山运动的强烈改造下，经大幅度的块断式垂直升降运动而最终形成了现今秦岭的格局。
秦岭的演变，在中生代以前和以后的变化非常大。中生代三叠纪时期，中秦岭和南秦岭地区形成了褶皱山隆起带，成为一个广阔的侵蚀地区；以南和巴山地带，是一个广阔的沉降地区；北秦岭（包括渭河断陷谷地）是介于中、南秦岭剥蚀地区与鄂尔多斯沉积区之间的过渡地区。当时，南秦岭的河流往南流入巴山四川海相盆地，中秦岭的河流往北流入鄂尔多斯内陆盆地。
侏罗纪时期，秦岭地带，包括北秦岭、中秦岭和南秦岭，成为具有差异震荡运动的古老准平原，并形成了凤县、商州区、勉县和紫阳等许多侏罗纪含煤盆地。秦岭两侧广阔的沉降、沉积地区在逐步收缩，分别向南向北后退；而秦岭地带隆起剥蚀地区却在逐渐扩大。从地貌上看，起伏突出变为平缓，而流域盆地增多且规模变小，分布分散，因而形成了许多侏罗纪的含煤盆地。而两侧河流仍流向陕北和四川盆地中。
燕山运动时期，秦岭地带进一步隆起，并伴有岩浆运动。由于秦岭巴山的隆起，南坡河流向四川盆地移动。由于岩浆活动和差异隆起，绝大多数内陆小型含煤盆地逐渐沉降得越来越低，河流侵蚀更为强烈。因此在秦巴山区两侧的内陆盆地中沉积的白垩系地层的底部和秦岭山地中的盆地里，形成了大量的砾岩。
新生代早第三纪，由于构造运动和缓，因而在这个广泛的均夷作用时期，山地又一次逐渐剥蚀成准平原。在秦岭地区广阔的准平原上分散着许多小盆地，其面积逐渐扩大。在这一时期，除了如徽县和商州区这种已经扩大了的中生代盆地外，还发育了如商洛和安康盆地等新盆地。秦岭地区的古老河流自然流入了这些分散的盆地。其时，汉江可能已经大体上发育成现今的形态。汉江的源头当时可能向西穿过嘉陵江，而现今的嘉陵江河源可能就是那时期汉江的源头。因此，汉江可能是秦岭山区早第三纪准平原上早已形成的古老大河。
早第三纪到晚第三纪过渡时期，通过喜马拉雅运动的影响，秦岭又进行了隆升。
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