神农架记载着16亿年来地球沧海桑田的变迁历史，地表出露着包括前寒武纪中、新元古代、古生代、中生代、新生代的所有地层单元，是地球地质历史变迁的缩影。神农架地区地质演化大致划分为以下四个主要阶段：
大约距今16—10亿年期间:
神农架地区是一片汪洋大海。海平面多次升降，漫长的海洋环境在这里沉积了厚达4000余米、以白云岩为主的古老地层，这套地层被命名为“神农架群”。
大约距今10—8亿年期间:
地球上发生了一次称为“晋宁造山运动”的大规模构造运动，使神农架地区脱离海洋环境，逐渐上升成为陆地。
大约距今2.5亿年—6500万年期间:
这一时期是神农架地区构造格架定型的主要时期。在这一时期，神农架地区又经历了规模较大的 “燕山造山运动”，使神农架地区的地层发生了大规模的褶皱和断裂，形成了以神农顶为中心、形状类似于倒扣铁锅的断穹构造。自此，才有了今日“华中屋脊”的雄奇壮丽。
距今260万年以来:
新构造运动使神农架地区总体处在间歇式抬升阶段。地形的持续抬升加剧了岩石的风化剥蚀和水流的冲刷、溶蚀等外动力地质作用，使神农架群这一古老地层暴露于地表。在不断风化、侵蚀的过程中，最终形成了落差较大的V型河谷以及不同高程的水平溶洞、地下暗河、落水孔等一系列地质遗迹。
