Pirmā Zemes garoza Latvijas teritorijā radās proterozoja sākumā, pirms apmēram 2 miljardiem gadu. Kopš tā laika šī teritorija atradās dažādu kontinentu sastāvā un atšķirīgos platuma grādos. Magmatiskie ieži un nogulumi, kas veidoja Zemes garozu, uzkrājās daudzveidīgos apstākļos; tektonisko procesu dēļ liela daļa senāko iežu ir metamorfizēti. Teritorijā dzīvoja dažādi organismi, no kuriem daudzi pieder sen izmirušām grupām. Senāko iežu veidošanās un agrīno organismu eksistences apstākļus parasti ir grūti rekonstruēt, jo Latvijas pirmskembrija (par 542 miljoniem gadu vecāku) iežu ģeoloģiskā vecuma noteikšana ir apgrūtināta. Savukārt fosilijas galvenokārt ir no baktērijām vai aļģēm (retāk), tās sastopamas ļoti reti un tikai nogulumiežos. Turpretī pēdējā pusmiljarda gadu gaitā uzkrājušies drupu un karbonātu ieži bieži bagātīgi satur dažādu attīstītāku organismu fosilijas, kas palīdz noteikt iežu vecumu.

Latvijas teritorija atrodas tuvu Austrumeiropas kratona (AEK) un Austrumeiropas platformas (AEP) rietumu malai, kas noteica tās ģeoloģisko uzbūvi un attīstību. AEK pirmskembrija pamatklintāja uzbūve un vēsture 21. gs. būtiski pārskatīta. Uzskata, ka pirms 1910–1880 miljoniem gadu tagadējās Latvijas teritorijā izveidojās vulkānisko salu loks. Uzkrājās vulkāniskie un nogulumieži, kas vēlāk salu loka un mikrokontinentu sadursmēs tika sakrokoti un spēcīgi metamorfizēti. Sadursmēs izveidojās Svekofenijas bloks, kas pakāpeniski pievienojās vecākajam Karēlijas kratonam austrumos. Rezultātā radās Fenoskandijas kratons, kas ietvēra arī Latvijas teritoriju. Pirms apmēram 1800 miljoniem gadu Fenoskandija sadūrās ar Sarmatiju, Volgourāliju, Amazoniju un nezināmu bloku. Pēc šīm kolīzijām Fenoskandija stabilizējās hipotētiskā Kolumbijas dižkontinenta ietvaros. Latvijas teritorija atradās Kolumbijas vidū; iespējams, tajā laikā teritorijā slējās augsti kalni.

Paši senākie pamatklintāja ieži – daudzveidīgi metamorfie ieži – iegulst Valmieras un Apes apkārtnē, kā arī atrasti dažos urbumos Latvijas centrālajā daļā. Pie Strenčiem izplatīti kristāliskie slānekļi, kas mijas ar amfibolītiem, gneisiem u. c. metamorfiem iežiem. Sākotnēji tie bija bāziska sastāva vulkāniskie ieži, retāk – mālaini karbonātu nogulumi. Staiceles apkārtnē 660–975 m dziļumā konstatēti vidēji skāba sastāva metamorfie ieži, kurus pārsedz mikrogneisu un dzelzi ar mangānu saturošo kvarcītu slāņmija. Uzskata, ka sākotnējie ieži veidojās vulkānu izvirdumos un jūrā šaurās joslās gar vulkānu salām, kur izgulsnējās māls, vēlāk smilts.

Pirms 1670–1500 miljoniem gadu Kolumbijas kontinentā sāka veidoties rifti un tas sabruka. Par to liecina rapakivi granītu plutonu (ieskaitot Rīgas plutona daļu) veidošanās ap mūsdienu Baltijas jūras teritoriju (rapakivi granītam raksturīgi lieli lokveida kālija laukšpata kristāli ar nātrija-kalcija laukšpata apmalēm, kas ieslēgtas sīkāku kālija laukšpata, kvarca un biotīta (melnās vizlas) pamatmasā). Tā laika AEK rietumu daļā bijusi kalnaina ainava. Rīgas plutons ir liels sarežģītas uzbūves masīvs Kurzemes centrālajā un ziemeļu daļā, kas turpinās Baltijas jūras akvatorijā. Ilgstošajā kontinentālo apstākļu periodā AEK rietumu daļā norisinājās dēdēšana un reljefa izlīdzināšanās. Erozijas dēļ pamatklintāja augšējā daļa ievērojami pārveidota: dēdēšanas garozas biezums Latvijā sasniedz gandrīz 20 metrus. 

Pēc Kolumbijas paleokontinenta sabrukšanas dažādi kontinentālās garozas bloki apvienojās citā dižkontinentā – Rodīnijā, kas pastāvēja pirms 1100–700 miljoniem gadu. Latvijas teritorija atradās dienvidu puslodē, tālu no Rodīnijas malām. Rodīnijai sabrūkot, no tās atšķēlās liels bloks, ko veidoja Laurentija kopā ar AEK. Spriežot pēc paleomagnētiskiem datiem, vēlajā proterozojā abi bloki kopā pārvietojās Dienvidpola virzienā. Gan Laurentiju, gan AEK teritoriju kriogēna periodā divreiz ir klājuši segledāji. Laurentija un Baltija sāka atdalīties apmēram pirms 600 miljoniem gadu, kad starp tām atvērās Japetus okeāns. Latvijā Gudenieku bāziskā bazalta lava (595 ± 25 miljoni gadu) pārsedz Rīgas plutona iežus. No tā laika izveidojās atsevišķs Baltijas paleokontinents, kas eksistēja līdz sadursmei ar Laurentiju vēlajā silūrā–agrajā devonā.

Kad Baltija atšķēlās no Laurentijas un atvērās Japetus okeāns, zemajā Baltijas paleokontinenta rietumu daļā izveidojās sekla epikontinentāla jūra. Latvijā 600 miljonu gadu laikā izveidojās bieza nemetamorfizēto nogulumu un vulkānisko iežu slāņkopa, kuras uzkrāšanos ietekmēja vairākas kolīzijas un krokošanās epizodes (oroģenēzes). Timana oroģenēze ediakarā un agrajā kembrijā bija tektonisks notikums, kad AEK platība būtiski pieauga, bet tas galvenokārt ietekmēja Baltijas paleokontinenta austrumu daļu. Latvijas teritorijā ediakara slāņkopā sastopami vulkanoklastiskie un drupu ieži, kas izplatīti visā Austrumlatvijā un nelielā platībā Kurzemē.

Kembrijā un ordovikā Baltijas paleokontinents pastāvēja kā liels sauszemes apgabals, kurā periodiski dienvidos no tagadējā Baltijas vairoga uzplūda jūra. Kembrijā šis kontinents atradās dienvidu puslodē, tuvu dienvidu polārajam lokam, tāpēc šeit uzkrājās galvenokārt māls un smilts, kur bija maz dzīvo organismu atlieku.

Japetus okeāns kembrija–ordovika robežas tuvumā sāka samazināties. Baltijas paleokontinents pārvietojās uz ziemeļiem, un ordovika beigās Baltijas plātne ieslīpi savienojās vienā blokā ar Avalonijas mikrokontinentu. Vienlaicīgi Gondvanā attīstījās apledojums. Tāpēc Latvijas ordovika griezumā manāmas pasaules okeāna līmeņa krišanās un organismu masveida izmiršanas epizodes pazīmes. Ordovika un silūra periodā Baltijas teritoriju klāja iekšzemes jūra, kurā uzkrājās karbonātu duļķes un smalks drupu materiāls. Sākumā jūra pletās no mūsdienu Norvēģijas teritorijas līdz Volgas baseinam un no Somijas līdz Baltkrievijai. Silūra beigās jūra saglabājās tikai Baltijas sineklīzē – dienvidaustrumu Baltijas rietumu daļā un Ziemeļpolijā. Silta klimata apstākļos, sākot ar vidējo ordoviku, jūrā dzīvoja daudzveidīgi bezmugurkaulnieki, t. sk. ar kalcīta skeletiem. Ordovika beigās un silūrā gar jūras malām attīstījās koraļļu rifi. Jūras centrālajā zonā galvenokārt uzkrājās mālainas nogulas ar karbonātu piejaukumu, bet bija maz dzīvnieku.

Japetus okeāns izzuda silūra vidū, kad Laurentija sadūrās ar Baltiju-Avaloniju; ekvatora tuvumā izveidojās Eiramerikas dižkontinents. Sadursmes dēļ cēlās augsti Kaledonīdu kalni. To erozijas un iežu dēdēšanas produkti – drupu graudi – tika nesti tālu prom un izgulsnējās Baltijas devona baseinā, arī Latvijas teritorijā. Kaledonijas oroģenēze būtiski ietekmēja AEP teritoriju un nodrošināja telpu sedimentācijas baseinu attīstībai Baltijas teritorijā devonā un karbonā. Latvijas teritorija joprojām atradās dienvidu puslodē ļoti tuvu ekvatoram, kas noteica siltu, bet dažkārt sausu klimatu.

Silūra beigās paleobaseinu pakāpeniski aizpildīja smalkgraudains drupu materiāls, kas pieplūda no Kaledonīdu kalniem, un jūras dziļākā daļa Latvijas rietumos kļuva aizvien seklāka. Agrā devona epohā turpinājās baseina aizpildīšanās ar nogulām, uzkrājās māls, aleirīts un karbonātu materiāls, pieauga smilts nozīme, kuras klātbūtne ir ļoti raksturīga Baltijas devona baseinam. Vidējā devonā Latvijā dominēja smilts uzkrāšanās estuāru, seklās jūras un deltu apstākļos. Agrā un vidējā devona nogulumos galvenokārt sastop pret pazeminātu ūdens sāļumu un palielinātu duļķes daudzumu izturīgu organismu atliekas – augu, dažādu zivju, lingulātu un gliemju fosilijas. Vēlā devona 1. pusē, Franas laikmetā, pasaules okeāna ūdens līmenis palielinājās, bet globālais klimats kļuva ļoti silts. Vienlaicīgi klimats sanešu avotā, ap Kaledonīdu kalniem, dažkārt bijis ļoti sauss; piemēram, Salaspils svītas veidošanās laikā tas bija izteikti arīds (sauss un karsts). Nokrišņu un ar upēm nestā materiāla daudzums samazinājās, tas labvēlīgi ietekmēja bezmugurkaulnieku u. c. organismu dzīves apstākļus. Pļaviņu un Daugavas svītu uzkrāšanās laikā vietām griezumā parādās rifu būves, kā arī nogulumos atrasti daudzveidīgākie organismu atlieku kompleksi visā devonā. Tos veido baktēriju un primitīvo aļģu būves – stromatolīti, sūkļu un koraļļu rifi, augu un makroskopisko aļģu atliekas, gliemju, brahiopodu, sūneņu, adatādaiņu u. c. bezmugurkaulnieku atliekas un zivju fosilijas. Franas laikmeta beigās notika viena no lielākajām masveida izmiršanas epizodēm, kuru saista ar ūdens līmeņa krišanos un bezskābekļa vidi, kas spēcīgi ietekmēja seklo jūru iemītniekus. Latvijā izmira vairākas bezžokļeņu, zivju un piestiprināto bezmugurkaulnieku grupas; pazuda koraļļi un īpatnējie sūkļi ar slāņainu uzbūvi – stromatoporāti; nomainījās brahiopodu, jūras liliju un augu sugas. Famenas laikmetā klimats mainījās – globālā temperatūra pakāpeniski samazinājās, bet reģionāli klimats periodiski kļuva sezonāli mitrs. Tas ietekmēja nogulu uzkrāšanās un organismu eksistences apstākļus. Sausā klimatā Latvijas teritorijā uzkrājās galvenokārt karbonāti, ko mūsdienās pārstāv dolomīts, dažkārt ar māla vai smilts piejaukumu, bet sezonāli mitrā klimatā izgulsnējās smilšaini aleirītisks materiāls. Jūras iemītnieku atliekas satopamas Famenas nogulumos jūrās ar normālu sāļumu, lagūnās, deltās un seklās jūrās ar pazeminātu ūdens sāļumu; īpaši atzīmējamas bruņuzivis, daivspurzivis un pirmie četrkājainie. Neilgi pirms devona beigām, Šķerveļa laikā, baseins bija stipri aizpildīts ar nogulām un tā ziemeļu mala periodiski atsedzās virs ūdens. Sezonāli mitra klimata sauszemes apstākļos attīstījās karsta un augšņu veidošanās procesi, par kuriem liecina seno augšņu un pazemes ūdeņu darbības pēdas – Šķerveļa svītas dolokrēti (dolomīta dzīslas un neregulāras formas garoziņas smilšainos vai mālainos nogulumos).

Drīz pēc Eiramerikas izveides Eiropas centrālā daļa tika iesaistīta vēlā paleozoja Hercīnijas oroģenēzē, kas pārveidoja bijušā Baltijas paleokontinenta dienvidu malu. Hercīnijas oroģenēzes rezultātā Eiramerika un milzīgs Gondvanas bloks, kā arī starp tiem esošais mikroplātņu komplekss apvienojās, izveidojot Pangejas dižkontinentu. Hercīnijas oroģenēze izraisīja jūras sedimentācijas apstāšanos dienvidaustrumu Baltijā; Latvijas teritorijā sedimentācijas baseins vēl pastāvēja karbona sākumā, kad šeit, tāpat kā devona beigās, seklā jūrā ar apgrūtinātu ūdens apmaiņu uzkrājās smilšainie, mālainie un karbonātu nogulumi. Hercīnijas spēcīgas tektoniskās kustības notika karbona periodā, Pensilvānijas epohā. Baltijas teritorija pacēlās virs okeāna līmeņa, un šeit līdz pat perma beigām iestājās sauszemes apstākļi. Uzskata, ka Baltija šķērsoja ekvatoru karbonā, bet liecības par turpmākām klimata pārmaiņām, nogulu uzkrāšanos, dēdēšanu un reljefa izlīdzināšanos nav saglabājušās.

Pēc Hercīnijas kustību aprimšanas perma periodā izveidojās Eiropas perma baseins, kura ziemeļaustrumu daļa atradās Polijas–Lietuvas ieplakā. Šīs ieplakas malas daļa no perma līdz juras periodam iesniedzās arī līdz Kurzemes dienvidrietumu daļai. Perma beigās Vučiapingas epohā maksimāla jūras līmeņa pacēluma laikā Kurzemi sasniedza Cehšteina jūras ūdeņi. Kurzemē dominēja labvēlīgi apstākļi, lai veidotos kaļķakmeņi ar daudzām fosilijām.

Pēc Cehšteina jūras atkāpšanās Latvijas teritorijā sekoja ilgs sedimentācijas pārtraukums, bet smalkgraudainu drupu nogulu uzkrāšanās atjaunojās agrā triasa Indas laikmeta sākumā. Uzkrājās Nemunas svītas māls un aleirīts ar smilts un karbonātu piejaukumu, kuros ir maz fosiliju.

Sākot ar juras periodu, kad sākās Pangejas sabrukšana, AEK veidoja milzīgās Eirāzijas plātnes sastāvdaļu. Pēc agrā triasa Latvijas teritorijā vairāk nekā 80 miljonus gadu valdīja sauszemes apstākļi, tāpēc nogulumi, kas uzkrājās laikposmā no agrā triasa līdz vidējās juras Batas laikmetam, nav saglabājušies. Jurā Latvijas teritorija atradās tālu ziemeļos no ekvatora, tomēr šeit valdīja silts un mitrs klimats. Paši senākie Latvijā saglabājušies juras nogulumi veidojās agrajā Kelovejas laikmetā, kad šeit bija sauszeme un Kurzemes dienvidrietumu daļā meandrējošu upju gultnēs, sērēs un palienēs uzkrājās Papiles svītas kvarca smilts un kaolinīta māls, bet vecupēs – ogles ar augu atliekām.

Kelovejas laikmeta vidū okeāna ūdens līmenis cēlās un Polijas–Lietuvas ieplakā līdz pat Latvijas teritorijai izveidojās jūra. Kurzemes dienvidrietumos tajā laikā uzkrājās smilšaini aleirītiski nogulumi ar karbonātu konkrēcijām un bagātīgu jūras organismu kompleksu – gliemeži, gliemenes, amonīti, brahiopodi un foraminīferas. Jūras līmenim turpinot celties, vēlajā Kelovejas un agrajā Oksfordas laikmetā jūrā veidojās mālainas nogulas ar foraminīferu un bezmugurkaulnieku atliekām, kā arī ļoti reti sastopamiem haizivju un jūras rāpuļu zobiem. Šie nogulumi ir visjaunākie pirmskvartāra veidojumi Latvijā, kas saglabājās līdz mūsdienām. Turpmāk jūras baseina izmēri samazinājās, vai arī jaunākie veidojumi Latvijā līdz mūsdienām nav saglabājušies erozijas dēļ – līdz šim nogulumi, kas ir jaunāki par juras, bet senāki par kvartāra periodu, Latvijas teritorijā droši nav konstatēti.

Kvartārā periodā notika daudzkārtēja krasa klimatisko apstākļu maiņa, Latvijas teritoriju vairākkārt klāja kontinentālie apledojumi. Latvijā kvartāra nogulumi sastopami visā teritorijā, to biezums mainās no dažiem metriem līdz pat 300 m apraktajās ielejās. Nogulumos pārstāvēti gandrīz visi kontinentālie nogulumi, bet piekrastē arī jūras nogulumi. Īpaši izplatīti glaciālie nogulumi. Ar kvartāra nogulumiem saistītas kūdras, sapropeļa, smilts, grants, māla atradnes, kā arī pazemes ūdeņu krājumi. Nogulumos nereti sastop dažādu bezmugurkaulnieku fosilijas, aļģu un augu sporas un putekšņus, bet retāk lielo zīdītāju – mamutu, mataino degunradžu un ziemeļbriežu – atliekas.