Татарстан располагается в восточной части Восточно-Европейской (Русской) архей-протерозойской платформы в пределах Волго-Камской антеклизы. Антеклиза, в свою очередь, состоит из ряда положительных структурных форм (Северо-Татарский, Южно-Татарский, Токмовский, Башкирский, Камский своды) и разделяющих их впадин (Мелекесская, Верхнекамская и др.). На архей-раннепротерозойском этапе были сформированы мощные массивы гранитоидов, определившие становление континентальной коры. Осадочные образования позднего протерозоя (рифея и венда) заполняют прогибы авлакогенного типа. Палеозойская история региона связана с образованием на приуральской окраине платформы крупного разрыва (рифта) континентальной коры с последующей активизацией его раздвижения и раскрытием в конце кембрийской – начале ордовикской эпох (490–470 млн лет назад) Уральского океана. В течение раннего палеозоя (420–400 млн лет назад) восточная окраина платформы представляла собой высокоподнятую территорию, подверженную интенсивным процессам эрозии. В девоне восточная окраина континентальной плиты заливалась морскими водами, началось накопление морских осадков, продолжавшееся непрерывно до позднепермской эпохи (260–250 млн лет назад).

Раннепермский этап (295–280 млн лет назад) развития характеризовался образованием Уральской горной системы и постепенным оттеснением моря с платформы. К началу поздней перми морской бассейн окончательно вытеснился из пределов Урала. В процесс горообразования были вовлечены прилегающие участки Русской платформы, и на её территории сформировалась обширная, параллельная Уралу зона устойчивых прогибаний – позднепермский седиментационный бассейн, который начал заполняться продуктами разрушения, поступавшими со стороны Урала. Произошла геоморфологическая инверсия – восточная часть Русской платформы изменила наклон своей поверхности с восточной, как это было в девоне, карбоне и ранней перми, на западную, сохранившийся и ныне. В это время были заложены новые речные системы, истоки которых брали начало на Уральских хребтах и текли на платформу. В стадию максимальных прогибаний (казанский век; 270 млн лет назад) поверхность седиментационного бассейна опускалась ниже уровня Мирового океана и заливалась морскими водами. К началу татарской эпохи (265,8 млн лет назад) морской бассейн был вытеснен к северу терригенными толщами осадочных пород, поступавшими с Урала. Мезозой-кайнозойская геологическая история региона протекала под воздействием Средиземноморского орогенеза, и Волго-Камский антиклинорий, составляющий основную часть территории Татарстана, оставался сушей. Мезозойское осадкообразование (юра и мел) частично затронуло юго-западную часть республики. В кайнозое (неоген, плейстоцен) осадконакопление протекало в основном по долинам сформированных к тому времени крупных рек.