地球的历史按照地质年代被划分为始生代、原生代、古生代、中生代、新生代。古生代共有六个纪分别为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪。日本列岛古老地层很少，主要属于距今约4.35亿年前的古生代志留纪。地层的形成过程主要是由地槽发育，经过海西运动，中生代运动和第三纪阿尔卑斯运动等逐渐形成。故地层形成的历史过程也是地槽的发展过程。因此日本古生代以后的岩层较多，特别是以新生代地层分布最广泛。
在前寒武纪日本列岛几乎是一片汪洋大海，由古老变质岩带构成了日本的古老核心。如飞驒古陆核、四国山地的三波川系等，均由结晶变质岩构成。其中飞驒古陆核属于由结晶片岩、片麻岩、辉石等构成的高温型变质岩带，三波川系属于由结晶片岩、绿泥片岩、云母片岩等构成的低温变质岩带。
日本列岛从古生代志留纪开始，在飞駄古陆核的外侧（即太平洋侧），存在着本州大地槽，沉积有深厚较软的岩层，孕育着造山运动的到来。
到了古生代二叠纪至中生代三叠纪，主要由世界性的海西运动时期，本州大地槽陆续发生本州运动。前后分为两次，第一次是秋吉运动，第二次是佐川运动。于本州、四国、九州一带隆起为中国山脉、四国山脉、纪伊山脉和九州山脉等。此时日本列岛于亚洲大陆连在一块，日本海和黄海大部分还是陆地。但日本列岛的外侧和东北部仍大部分被海水淹没。
日本列岛自中生代侏罗纪以来，其外侧于东北部存在着日高地槽带，北上外缘带，其西南部存在四万十带。这些均属于地槽带，接受着沉积物质。自中生代侏罗纪末，经白垩纪而至古第三纪，这些地槽带发生了广岛运动和日高运动。此时自北海道中部经东北日本以至西南日本发生强烈的褶皱、断层和岩浆运动。形成了日高山脉、北上山地的一部分和纪伊半岛、四国南部，九州中部等山地。日本的脊梁部分已经基本形成。
自新生代初开始，即阿尔卑斯-喜马拉雅运动晚期，日本发生了格林塔夫运动。千岛弧和石狩低地以西的西南北海道、本州弧内带、九州和琉球弧内带及大地堑带形成陆地。并与这一时期日本海盆下沉而形成了日本海，日本列岛的雏形已经形成。
新生代第四纪洪积世，因冰期来临，海面下降，大陆架露出水面，日本列岛以陆桥的形式和亚洲大陆相连，原始人类与动物可以自由来往。直到距今1万年多前的冰川后期，海岸线和气候急剧变化，新地层的形成和侵蚀愈加强烈。随后世界冰川融化后，海面上升140米，陆桥被淹没，形成了朝鲜海峡，日本列岛成为与大陆脱离的岛屿，列于亚洲大陆的外侧。但大陆居民仍可以利用日本海左旋环流和季风渡海赴日，往来于大陆于日本列岛之间。一些为追逐动物而至的大陆人逐渐定居下来，成为日本最早的居民，并在荒芜的土地上播下了文明的种子。随着时代的变迁，人口增加，因而形成了日本民族的母体文化。
新生代后日本列岛的断层运动和火山运动非常频繁，火山的喷发和地震现象不断发生。大量的火山喷发物（如火山灰、熔岩流等）覆盖在地层或石器时代的遗址上。由于火山的喷发物形成了日本的高山，如富士山就是多次喷发形成的活火山。同时由于火山喷发还能形成了一些新的岛屿，如2013年小笠原群岛发生海底火山喷发，形成了一座新岛。
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