天津市位于华北地台北部,除北部蓟县山区有基岩出露外,其他地方都为新生界覆盖。地台基底由中、新太古界密云群和四合堂群片麻岩系夹磁铁石英岩组成。蓟县的中、新元古界层序连续、完整,顶、底界线清楚,也是燕山裂陷槽的标准剖面。和华北地台其他部分一样,天津自中元古代至石炭纪为稳定型浅海相地台沉积,二叠纪转为陆相环境,缺失南华纪、震旦纪、晚奥陶世—早石炭世沉积记录。中生代进入地台活化期,有花岗岩、霞石正长岩和霏细岩侵位。新生代初转入伸展构造体制,北北东向的阶梯状铲状正断层系形成一系列的断陷和断垒。在天津市及其周边地区自西向东有冀中断陷、沧县断隆和黄骅断陷,填充其中的新生界最大厚度可达9500米。大港、渤海等油气田都产于其中。天津市区以东还残存有三条大致与现代渤海岸线平行的贝壳堤,其时代分别为3800~3000年前、2000~900年前和500~400年前,是渤海变迁的可贵历史记录。