在18亿年的地质历史进程中，天柱山地区历经惊心动魄的地壳运动和沧桑变迁，展绘出一幅幅气势磅礴的地质演化画卷。

18亿年前的古元古代时，处于扬子板块和华北板块之间的天柱山地区，是一片汪洋大海，形成了沉积岩层，并伴有岩浆侵入活动。

8亿年前的新元古代时，地幔上涌，岩浆活动强烈，形成了大量花岗质片麻岩的原岩。

大约2.4亿年前的中三叠世，扬子板块向华北板块俯冲，到达地下80—120千米的深处，在地幔高温和超高压环境下，岩石发生变质，形成含有柯石英或金刚石的超高压变质岩。

在距今2.3～2亿年期间，经过超高压变质的俯冲板块发生拆离，上部岩块快速从地下80千米的深度折返到距地表30千米的地方。

1.28亿年前早白垩世，燕山运动使地壳下部炽热的岩浆侵入到距地表数千米的地壳深处，形成了“地下天柱山”。

约6000万年前古近纪时期，受太平洋板块活动影响，斜贯天柱山地区的郯庐断裂带持续活动，西侧抬升，花岗岩体出露地表，并使超高压变质带重见天日。东侧下降形成潜山盆地，为动植物繁殖生长提供了较好的条件，大量哺乳动物在此繁衍进化。

2300万年前的新近纪以来，受喜马拉雅造山运动和郯庐断裂带的影响，天柱山多次间歇性抬升，加上持续的风化侵蚀等内外地质作用共同造化出今天雄伟秀丽的天柱山。