柳江盆地位于华北板块的东部，自太古代至第四纪经历了漫长的地质历史演化时期。该区地壳演化总趋势表现为由太古代的活动，到元古代后转向稳定，印支期又有活化的特征；沉积环境由元古代~古生代的海相和海陆相沉积，至中生代转向陆相沉积环境的演化过程。本区的构造演化可划分为四个阶段，即太古代—早元古代基底形成阶段、中新元古代裂堑发育阶段，古生代稳定盖层发育阶段和中新生代滨太平洋构造演化阶段。主要演化过程简述如下。
1）太古代—早元古代基底形成阶段
太古代早期(迁西期)：大约3.5Ga左右时，在华北冀东的迁西、遵化一带出现海底火山喷发，形成了以迁西群为代表火山一沉积建造。迁西群上川岩组斜长角闪岩Sm—Nd同位素等时线年龄为3.5Ga，铬云母石英岩中碎屑锆石U—Pb年龄为3.72~3.65Ga。这是我国目前已知的最早形成的一块陆壳。
太古代晚期(阜平期)：大约3.0Ga左右，地壳开始分异，形成了以集宁群、阜平群、密云群、鞍山群、泰山群、太华群等为代表的孤立分散的小陆块，局部地区发育以孔兹岩系为代表的稳定浅水盆地堆积。在华北东部，发现了2.7~2.5Ga亿年的洋壳残片，这表明了这一时期在华北板块的东部已存在大洋壳。大约2.5~2.6Ga，华北板块发生一次以阜平群和五台群之间不整合为代表的强烈构造运动一阜平运动。受阜平运动影响，阜平群及其相当岩系发生强烈的麻粒岩相变质和混合岩化作用。陆块在对流环拖曳下，岩石发生韧性变形，形成褶皱和逆掩构造，增强壳下增厚作用。分散孤立的陆块在重力均衡作用下不断漂移，随着陆块下部热对流环取向的改变和壳下增厚作用，这些分散孤立的陆块不断粘合扩大，形成较大的刚性块体，奠定了华北板块的雏形。
早元古代早期(五台期)：华北板块内部开始发育北东向的五台裂谷和青龙河裂谷，分别形成了以山西五台群和冀东单塔子群为代表的具绿岩性质的火山—沉积建造，北东向五台裂谷和青龙河裂谷叠加在早已存在的东西向构造之上。大约2.2Ga，华北板块发生以五台群和滹沱群之间不整合为代表的强烈构造运动一五台运动。五台运动使五台期发育的北东向的五台裂谷和青龙河裂谷结束裂谷发育，形成北东向褶皱带。同时使五台群及其相当岩系发生角闪岩相和绿片岩相区域变质。五台运动的结果使华北刚性板块进一步扩大，奠定了华北板块的基本构造格架。
本区出露的绥中片麻状花岗岩(γ2)，其同位素年龄为2.5Ga左右，属区内最老的具岩浆作用特点的片麻状花岗岩，即太古代末期或早元古代早期。河北区域地质志(1989年)将本区所划γ2片麻状花岗岩归入地层系统，将其视为太古代迁西群上亚群拉马沟组的区域变质岩一混合花岗岩，认为其原岩为中基性火山岩。这一问题涉及绥中花岗岩的成因问题。
关于绥中花岗岩的成因究竟是太古代晚期的变质混合花岗岩，还是早元古代早期形成的酸性侵入体问题，目前还是一个有争议和待解决的问题，根据同位素年龄数据，暂按后者处理。
早元古代晚期(吕梁期)：五台运动后，阜平北东向隆起分隔了五台区以滹沱群为代表的沉积建造和太行区以甘陶河群为代表的火山沉积建造；大约1.85Ga，华北板块发生以滹沱群和中元古代长城系之间不整合为代表的强烈构造运动一吕梁运动。吕梁运动使五台、太行两个沉积区褶皱隆起，结束华北板块基底阶段演化，最终形成了包括本区在内的统一的华北板块结晶基底。
2）中新元古代裂堑演化阶段
吕梁运动后，华北板块结束基底阶段演化，进入相对稳定的盖层发育阶段。初具轮廓的华北板块，由于地壳较薄，强度小而不均一，具有一定的渗透性和相当的活动性。因此，刚刚稳定的华北板块广泛发育了燕辽、中条、贺兰、白云鄂博和渣尔泰等裂堑，构成了华北板块中新元古代独特的裂堑演化阶段。实习区西侧中新元古代发育北东向的燕辽裂堑，该裂堑在1.8~1.0Ga发生海侵，形成了以长城系和蓟县系为代表的裂堑系火山一沉积建造。期间经历了短暂的滦县上升和芹峪上升过程。柳辽盆地地区为当时燕辽裂堑东侧边缘的山海关隆起区，缺失长城系和蓟县系沉积。青白口期(1.0~0.8Ga)，伴随着燕辽裂堑整体坳隆，陆表海不断扩大，山海关古陆范围缩小，柳江盆地地区成为陆表海的一部分，接受了青白口系长龙山组、景儿峪组滨浅海沉积。据长春地质学院资料，本区黄土营一带长龙山组海绿石K—Ar年龄为711~900Ma，该年龄大致处于长龙山组与景儿峪组之间。新元古代末期，受蓟县上升运动(0.8Ga)影响，燕辽裂堑萎缩消亡，结束裂堑演化，本区整体上升成陆，在0.8~0.57Ga的漫长地质历史时期中遭受剥蚀夷平，缺失震旦系和早寒武世早期沉积，至早寒武世中期本区再度下降接受沉积，形成府君山组与景儿峪组平行不整合接触关系。
3）古生代稳定盖层发育阶段
古生代伊始，华北板块作为一个整体再度下降接受沉积。海水主要由南向北进侵，从罗圈组冰碛岩，经猴家山组含磷岩系和辛集组红色泥灰岩依次向北超覆，三山子白云岩组由南向北的穿时现象也说明海水来自南方。柳江盆地地区平行不整合在青白口系景儿峪组之上的寒武系底部岩层已是这一海侵过程的最高层位一府君山组豹皮状灰岩。由早寒武世晚期至晚寒武世海侵扩大，本区发育以鲕状灰岩、竹叶状灰岩、泥质条带灰岩、藻灰岩为代表的动荡浅海环境沉积物。早奥陶世冶里期海侵进一步扩大，亮甲山期为本区最大海侵时期，沉积了巨厚的滨浅海碳酸盐岩沉积。从晚奥陶世开始，由于受加里东运动影响，本区结束了华北板块最后一次广泛海侵过程，再次整体上升成陆，长期遭受剥蚀夷平作用达140Ma之久，形成了准平原化的地形地貌。一直持续到中石炭世才重又重新下降接受沉积，形成本区本溪组与马家沟组之间的平行不整合接触关系，其间缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统沉积，从而构成了华北板块早古生代地质历史演化中的最显著特色。
自中石炭世开始，本区再度下降接受本溪组沉积。由于长期遭受剥蚀已达准平原状态，地势低平，海水自东北向西南浸漫，沉积了中、晚石炭统本溪组和太原组海陆交互相含煤建造。晚石炭世末期地壳上升，使本区自早二叠世开始完全脱离海相环境，全面转入陆相沉积环境。中石炭世一早二叠世，本区处于气候潮湿、地势低平、植物茂盛、沼泽广布的环境，是华北地区重要的成煤期。概而言之，本区从中石炭到晚二叠世是由宽广的沿海滨岸成煤沼泽环境到内陆盆地的转变过程，相应地层的岩性也从海陆交互相变成陆相，其粒度变粗，颜色从暗色转变成黄绿色甚至红色：厚度加大，分异加剧，反映了随着北侧兴蒙褶皱系石炭纪后因大陆碰撞而隆起，使华北板块自北向南逐渐抬升，地形切割加剧，气候干燥化及远离海洋的过程。
4）中新生代滨太平洋构造演化阶段
中新生代，本区构造演化进入了新的板块构造体制发展阶段。特别是自晚三叠世以来，地壳活动的动力机制发生了根本转变，伴随着太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用，本区和整个中国东部一样，开始了一个全新的地质历史发展过程。晚古生代一早中生代的近东西向构造为中新生代北北东向的环太平洋构造体系所取代，表现为区域构造线方向的偏转和强烈的构造一岩浆活动。
①印支运动与柳江向斜构造初步形成阶段
二叠纪以后，本区发生了一次以晚三叠统黑山窑组与上二叠统石千峰组之间不整合为代表的构造运动一印支运动。受该构造运动南北向挤压作用影响，本区形成以断裂构造为主的东西向构造，如韩家岭东西向逆断层、板厂峪一贺庄东西向逆断层等，同时伴生有北东45°方向左行压扭性断层和北西315°方向右行压扭性断层。同时使区内晚三叠世以前的古生代地层褶皱隆起，在老君顶一小王山一带形成一个东西向平缓隆起，在其南、北形成了大洼山和拿子峪两个沉降中心．南北向展布的两个沉降区构成了柳江向斜的雏形，在相对隆起幅度较小的南部黑山窑一带局部接受晚三叠世黑山窑组陆相砂页岩夹碳质页岩沉积。
②燕山运动及其区内岩浆活动
自侏罗纪开始，整个中生代期间，本区经历了强烈的构造变动，受燕山运动近东西向挤压作用影响，不仅使轴向南北的柳江向斜逐步形成，同时伴有强烈的岩浆活动。
早侏罗世，在早期形成的南北两个凹陷区内堆积了早侏罗统北票组沉积。北票组河湖相砂砾岩层呈角度不整合覆盖在前中生代不同时代地层之上。由于持续的坳陷及温暖潮湿的气候环境，形成了本区早侏罗世北票组的重要含煤建造。
中侏罗世，本区发生强烈的构造运动，以兰旗组与北票组之间不整合为代表的燕山运动活动频繁，形成中等程度的褶皱和同生断裂，伴随强烈的构造活动有多期火山喷发和岩浆侵入。以兰旗组辉石安山岩、角闪安山岩为主的中性火山岩几乎覆盖整个盆地，构成柳江向斜的核部。从而奠定了柳江向斜的基本构造格架。
晚侏罗世，本区再次发生强烈的构造变动，断裂作用、岩浆活动进一步加强。形成孙家梁组以流纹岩为主夹有凝灰岩、凝灰角砾岩的酸性火山喷发沉积岩系。该岩系区域走向为北西一南东向，与柳江向斜内的岩层呈不整合关系。
燕山运动晚期，本区发生大规模岩浆侵入活动。形成本区西部响山花岗岩岩基(K—Ar年龄为100~101Ma)、东南部后石油山的碱性花岗岩岩基(K—Ar年龄为115~117Ma)及区内的多个小岩体和各类岩脉。区内岩浆侵入以花岗岩、正长斑岩、闪长玢岩以及花岗斑岩、煌斑岩脉等为主。燕山晚期花岗岩基的侵入，对柳江向斜的形态有一定影响，如西部响山岩体的侵入，使不对称的柳江向斜在形态上进一步加剧，在向斜西翼形成一系列向东上逆的南北向逆断层，地层厚度次生变化大，构造复杂，这种影响加剧了柳江向斜原有的不对称向斜构造的特征。
③喜马拉雅运动与现代地貌格局的形成
新生代时期，受喜马拉雅构造运动影响，区内差异升降明显。形成南部平原、柳江盆地、大石河谷地及山海关一秦皇岛海滨等今日地貌景观。第三纪时，除古新世因地壳上升遭受剥蚀未接受沉积外，从始新世到上新世，本区以差异缓慢下降为主，沉积主要分布在山间断陷盆地内。第四纪开始，本区差异升降明显，致使山地、平原、海洋、盆地、河流等初步形成。沉积主要以滨海和河流沉积为主，据河流阶地分析，大石河河谷形成于第四纪早期。受第四纪古气候变迁影响，渤海海岸线曾发生多次上下变迁，但陆地与海洋的基本轮廓并未改变。