長江流域經歷了長期的地質發展和古地理演化歷程，至少在早元古代至晚太古代時期，華南地區就保留有地層記錄。元古代時期揚子板塊成型。早古生代後期，揚子板塊與華夏板塊拼合形成華南板塊；秦嶺微板塊與華北板塊拼合形成北秦嶺古造山帶。晚古生代後期，南秦嶺洋逐漸閉合，海域逐漸萎縮。晚古生代金沙江洋開裂，羌塘板塊、岡底斯板塊等仍處在南半球與印度板塊等為一體。因此至古生代末，長江流域尚未形成統一塊體。
進人早三疊紀，長江流域基本上繼承了晚古生代的古地理面貌。華南地區除川滇、華夏古陸及龍門等古島外，長江流域中、東部為上下揚子淺海覆蓋，浙贛湘桂一線存在一深水海槽。流域西部仍為崑崙、巴顏喀拉——松潘——甘孜深水海槽。以唐古拉古陸為主體的羌塘板塊已向北移，使金沙江洋盆消減萎縮，藏南為深水海槽。流域北緣南秦嶺仍為海域覆蓋，古秦嶺山脈僅限於北秦嶺一帶。
三疊紀後期的印支運動徹底改變了長江流域及相鄰地區的古地理面貌，至佛羅紀古地理面貌有很大改觀。首先，隨著華南板塊與華北板塊的碰撞，秦嶺海槽消失，古秦嶺山脈形成，成為分隔華南、華北的天然分界。其次，羌塘板塊與華北——塔裡木板塊的碰撞使崑崙、巴顏喀拉——松潘——甘孜海槽消失並隆升為山地。上下揚子淺海成陸，中部川滇古陸形成一巨大的內陸湖盆。中下揚子地區發育了荊當湖、漢南湖、下揚子湖等，贛湘粵地區殘餘一個連通太平洋的海灣。
白堊紀時期長江流域古地理又發生了重大改觀。岡底斯板塊的北移導致念青唐古拉海槽消失，藏北山地形成。古秦嶺——大別山脈進一步隆升。川滇內陸湖盆萎縮，江漢——洞庭湖盆和蘇北湖盆形成，贛湘粵海灣消退。
第三紀時期，長江流域及鄰區古地理面貌又有明顯變化。藏南海槽最終消失。流域中、東部湖盆萎縮，川滇內陸湖大部消失，僅在成都一帶殘餘一小型湖；江漢——洞庭湖盆縮退，殘餘南襄湖和江漢湖盆。蘇北湖盆和東南湖群也縮到蘇北一帶。華南、西南及青藏高原一帶均為高地或山地，西南和青藏高原發育較多小型山間湖盆。此時古長江的輪廓尚不清晰。
進入第四紀以後，新構造運動使第三紀末廣泛分布的準平原地貌產生了分化。青藏高原強烈隆升，喜馬拉雅山脈和唐古拉山脈形成，雲貴高原、四川盆地和鄂西高原相對抬升，長江流域階梯狀東西分異的地貌格局逐漸形成。
早更新世時期，長江處於分段獨立發展的原型狀態，大致可分為古金沙江、宜賓——宜昌段古長江和湖口以下段古長江三部分，東西貫通的長江尚未形成；也有學者認為古長江水系形成於早更新世初期。早更新世是長江流域第四紀湖泊的發育期，江漢盆地的古洞庭湖、南陽盆地的南襄湖及古鄱陽湖、古蘇北湖群發育；同時，川滇西部分布一系列近南北向的斷陷湖泊。
早更新世晚期，新構造運動又趨劇烈。至中更新世，我國三級地貌階梯基本成型。西部青藏高原強烈隆升，東部平原相對下降，由此加劇了地表水系的溯源侵蝕作用。早期獨立發展的古長江各原型河段逐步連通，統一的古長江水系基本形成。隨地形高差增加，盆地物源供應充分，湖泊淤塞加快，古洞庭湖、南襄湖、古鄱陽湖和蘇北湖群均有較大萎縮。
晚更新世時期，青藏高原已隆升至3000m以上。喜馬拉雅山脈阻擋了部分印度洋暖溼氣流北上，使我國內陸降雨量有所降低，氣候趨於乾旱化，長江流域各湖泊範圍進一步縮小，古洞庭湖、古鄱陽湖大部分時間面積很小，河網切割。受末次間冰期氣候溫暖的影響，海平面上升，海水溯江而上，可達鎮江一帶。蘇北平原至杭州灣近海地區曾為海水淹沒。至晚更新世末期的末次冰期，海平面下降約150m左右，海水自蘇北退出，海岸線移至今長江口以東約600km處，整個東海和臺灣海峽都成為陸地，此時古長江河谷切過東海黃海大陸架，向東北方向經朝鮮海峽注人日本海。
全新世時期，長江流域古地理面貌已和現代基本一致。末次冰期以後，氣候逐漸變暖，雨量充沛，湖沼森林廣布，動植物繁盛，優良的自然環境適宜人類的生存與發展，孕育了長江流域燦爛的史前文明。中全新世時期，江漢平原北部分布著北連漢江南接長江的古雲夢澤，後因長江和漢江的泥沙淤積、三角洲擴展而逐漸消亡。古洞庭湖在中全新世時期隨著古雲夢澤消亡和長江的南移而逐漸擴大，至元明清進人鼎盛時期，「周極八百裡」。清末以後，由於四口分流加速泥沙淤積和人工圍墾等原因而日漸萎縮。鄱陽湖曾於晚更新世末期幾近消亡，中全新世重新成湖，宋元時期鼎盛。太湖基本山形成於中全新世，後經歷多次水陸交替，近代也進人收縮期。