16亿年以前，神农架地区是一片汪洋大海，沉积了以白云岩为主的“神农架群”岩层。后来，神农架地区经历了多次的构造变动，沧海变桑田。“神农架群”上升出露地表，并在后来多期的造山运动中，被断层切割，并且反复地受到向上抬升的大地构造影响，形成了一个叫做“神农架穹窿”的正地形构造。然后，这个地区又经历了多次造山运动和间歇性构造抬升，最终造就了在华中地区一山独大、群峰耸立的高山地理特征。六座海拔3000米以上的高峰齐聚这里，形成了著名的“华中屋脊”。正是这种独特的高山地势，造就了神农架雄伟壮阔的自然景观和独特的气候环境。
神农架地区地质演化大致划分为以下五个主要阶段：
1、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”。
2、大约距今10—8亿年期间
在全球格林威尔造山运动的背景下，区域上发生了一次被称为“晋宁造山运动”的大规模构造运动，使神农架地区的沉积盆地关闭、隆升，脱离海洋环境，逐渐上升成为陆地。
3、大约距今8—2.5亿年期间
距今8亿年以后神农架地区又开始全面海侵，直到古生代（大约距今5.4-2.5亿年），主要为较为稳定的海相环境。印支运动（大约距今2.5-2.05亿年）末结束了海槽发育历史，又开始上升为陆地。
4、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。
5、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。
