台北盆地的形成是一個漫長的地質過程，大約始於100萬年前，台北盆地原是丘陵地形，隨著地殼運動和造山運動的進行，逐漸演變成現在的盆地地貌。其具體形成過程如下：
大約80萬到40萬年前，造山運動逐步休止，山脈受到拉張作用開始垮塌，新莊逆斷層轉化為山腳正斷層，原本位於新莊斷層上盤的台北地區順著山腳斷層下滑，形成一半地塹，與此同時，大屯山區的火山開始噴發，堆積成群的火山體，台北地區從大約40萬年前開始累積沉積物，形成盆地的雛形。
大約280萬年前，板塊碰撞導致大電火山及觀音山火山爆發，大量火山熔岩在此堆積，使地勢逐漸增高，大約6萬年前，板塊運動方向開始逆反，不再繼續造山，由於地殼拉張作用，整個地勢開始凹下，原本較低的林口平原被抬高，形成抬升之地，台北變成盆地之後，曾經歷過數次海水侵襲，變為湖泊，最近的一次是在清康熙三十三年（1694年），被稱為「康熙台北湖」，後來湖水消退，盆地逐漸乾涸，形成今天的地貌。