L'histoire géologique des Pyrénées Orientales remonte à plus de 600 millions d'années (notation dans la suite du texte : 600 Ma). Voir : Tableau simplifié de la chronologie géologique.

Les plus anciennes roches appartiennent à une très ancienne chaîne de montagnes, ces roches résultent du métamorphisme d'anciens granites (550 à 600 Ma) et d'anciennes roches sédimentaires provenant de l'érosion de ces granits.

Le métamorphisme est la transformation des roches sous l'effet des variations des paramètres physiques et chimiques du sous-sol.
 

Du Cambrien (540 Ma) jusqu'au Viséen (325 Ma), les eaux marines recouvrent les Pyrénées Orientales et des sédiments marins (argiles, sables, calcaires...) se déposent. Ils apparaissent aujourd'hui transformés par métamorphisme (voir ci-dessus). Les schistes (roches résultant du métamorphisme de sédiments argileux) du Caradoc (455 à 445 Ma) contiennent les plus anciens fossiles des Pyrénées.

Les couches à Houille du Carbonifère ne sont pas représentées. Cependant, des schistes déposés dans un milieu marin côtier (oursins et débris végétaux) annoncent la longue période d'émersion liée à la formation de la chaîne hercynienne.

Les principaux évènements de la tectonique hercynienne s'accomplissent entre la fin du Namurien (315 Ma) et la fin du Westphalien (305 Ma) ou le Stéphanien (entre 305 et 295 Ma) : plissements et déformations variées des masses rocheuses, édification de reliefs montagneux immenses sans commune mesure avec les actuelles Pyrénées, métamorphisme et magmatisme.

Marbres "cambriens" (cipolins)

Peu après, au Permien (295 à 245 Ma), l'érosion a arasé les reliefs hercyniens qui cèdent la place à la pénéplaine post hercynienne. Cette surface d'aplanissement va être progressivement recouverte par les eaux marines pendant le Mésozoïque (Trias, Jurassique et Crétacé).

La sédimentation reprend au Permien par des dépôts continentaux rouges (argiles, sables...).

Par la suite, les dépôts continentaux (argiles, sables...) et marins (argiles, calcaires, évaporites...) du Trias (245 à 205 Ma) annoncent le retour de la mer. Ce phénomène accompagne les affaissements liés aux étirements de la croûte terrestre (rifting) lors de déplacements de la plaque continentale ibérique par rapport à la plaque européenne.
 

Voir : Coupe géologique de la transition entre les ères primaire et secondaire à AMELIE-LES-BAINS.

Le Jurassique (205 à 135 Ma) et le Crétacé (135 à 65 Ma) voient le dépôt de sédiments essentiellement marins et carbonatés (calcaires, dolomies, marnes...).

Vers environ 40 Ma (Éocène), la formation de la chaîne "alpine" des Pyrénées déforme les roches héritées des chaînes de montagnes et des bassins sédimentaires antérieurs.

A la fin de l'Éocène (37-34 Ma), la couverture de sédiments mésozoïques et éocènes glisse sur la zone axiale des Pyrénées. Ainsi, le soulèvement du secteur correspondant à l'actuel Golfe du Lion rejette vers l'ouest et le nord-ouest la Nappe des Corbières.

Calcaires et marnes mésozoïques

Voir : Les Corbières d'Opoul-Périllos

L'érosion des reliefs liés aux plissements pyrénéens conduit à la formation d'une surface d'aplanissement (pénéplaine) datée de l'intervalle Oligocène supérieur - Aquitanien (30 - 22 Ma).

Les structures d'effondrement (bassins du Roussillon, de Cerdagne...) du Néogène (23,5 - 5,3 Ma) ont reçu des sédiments fluviatiles, lacustres et marins (Golfe marin pliocène, à l'est de Bouleternère).

Le relief des Pyrénées Orientales est récent. La partie est des Pyrénées Orientales doit la plus grande partie de son relief à la tectonique cassante fini-Miocène (fin du Miocène : 5,3 Ma) et la partie ouest à la tectonique souple plio-pléistocène (Pliocène et Pléistocène : de 5,3 a 0,01 Ma).

Grotte concrétionnée

Voir : Le Serrat d'En Vaquer, site paléontologique remarquable du Pliocène roussillonnais.

Les structures d'effondrement néogènes ont été ensuite utilisées par les principales vallées plio-quaternaires où les cours d'eau ont déposé des alluvions (galets, sables, limons...) provenant de l'érosion des reliefs pyrénéens. Ces dépôts forment des épandages emboîtés appelés terrasses.

Calcaires lacustres du Pliocène

Le Quaternaire (depuis 1,65 Ma) - dernière période de l'histoire de notre planète - voit l'alternance de périodes froides (glaciations) et d'épisodes moins froids (inter-glaciaires).
 

Les glaciers quaternaires, dans les secteurs de montagne, ont modelé le paysage que nous observons aujourd'hui (vallées glaciaires, étangs, tourbières...) avec le dépôt de sédiments particuliers (moraines, éboulis de pente...). Par la suite, ces paysages glaciaires ont été modifiés par les cours d'eau...

Voir : Le séisme catalan de 1428, Géologie récente des Pyrénées-Orientales.