此时，由于北京地区具有节奏性和差异性的下降，全区大部分都被海水淹没，而邻近的北部和东部地区则上升为古陆。一方面是上升区的岩石剧烈而迅速的风化、剥蚀和搬运转移，另一方面是下降区接受大量、迅速、厚度不等的堆积。长城系以碎屑岩(如砾岩、石英砂岩)为主，过渡到含硅质的碳酸盐岩，并夹有中、基性海底火山喷发岩，厚度自东向西变薄(密云、平谷可达1000m以上，昌平、延庆不及300m)。沉积环境是处于滨海至浅海(海水深度不及200m)的浅水区，沉积物常常遭受海浪作用，所以在岩层中经常保存着波痕。虽然地壳不断地下降，但是由于风化剥蚀的物质源源不断地堆积加厚，仍然保持着这种浅海环境。以后，又沉积了蓟县系，此时北京地区地壳的下沉作用更为显着(沉积厚度达3000~4000m)，所以沉积物以海相含镁质或硅质碳酸盐(如硅质灰岩、白云岩)为主，含丰富的藻类化石。青白口系是以砂岩、页岩、泥灰岩为主，沉积范围逐渐缩小，说明海域范围也在缩小，海水越来越浅，在北部古陆滨海及浅海的浅水环境中，先后沉积了铁、锰、磷等沉积矿产。
根据地层层序和岩相特征，我们就可以描绘北京地区中、晚元古代的古地理概况：地层由下而上，代表一个巨大的沉积旋回，在这个巨大旋回中又可分为3个次一级的旋回，各旋回间都存在着明显的间断。据此，说明从中元古代长城系沉积时起，全区大部分浸没于海水之下，而与北部、东部古陆相邻，在浅海中一边不断下沉一边接受着滨海、浅海相碎屑岩的沉积，并在局部地区夹有中、基性海底火山喷发岩；在蓟县系沉积时，海侵扩大，形成了向四周超覆的巨厚碳酸盐岩建造，在清澈的海水中生长有大量叠层石。到了晚元古代，地壳上升，海水渐退，又以碎屑沉积为主，形成了青白口系。以后，北京与广大华北地区一起上升露出海面，大约经历了约2亿年的风化与剥蚀作用，元古代就结束了。因此，在青白口系的顶部与上覆下寒武统之间存在着一个明显的不整合面，并以此作为元古界与古生界的分界标志。这次地壳运动被命名为“蓟县运动”。
3.早古生代
寒武纪是古生代的第一个纪。它的重要特征是生物界的显着繁盛和化石的大量保存。寒武纪是海生无脊椎动物空前繁盛的时代，遍及整个海域。从底栖、游泳到浮游，各种生态都有代表，其中最繁盛的是节肢动物三叶虫(如莱德利基虫、德氏虫和蝙蝠虫等)，其次是古杯类、软体动物的软舌螺及腕足动物的舌形贝等。进入奥陶纪，除了三叶虫和腕足动物(如正形贝等)外，头足类的鹦鹉螺类(如各种角石类)和腹足类的蛇卷螺等大量出现，动物种类更多了。
寒武纪至中奥陶世的整个时期，全区大部分又沉没于海底，形成了广阔而稳定的浅海，动物界在这样有利的环境中进入了一个飞跃发展的阶段。但就地壳活动性来说，比起元古代显然要微弱得多，即相对稳定得多，一般只表现为缓慢的、各地比较均一的下降，岩相也比较稳定。早寒武世时，海侵开始，因而形成以泥质和碳酸盐相为主的沉积。后来，海侵扩大，特别是中奥陶世时，海侵达到最大规模，所以形成了代表浅海相的由浅水至深水的碳酸盐岩相沉积。总之，从寒武纪到中奥陶世，海水逐渐由浅到深，沉积环境由动荡逐渐变得宁静，因此，就依次形成了紫红色页岩和鲕状、竹叶状以至块状石灰岩及白云质石灰岩等沉积；同时，横向变化不大，地层对比容易。
寒武纪至中奥陶世的海侵，以又一次上升隆起脱离海水而结束。所以，到中奥陶世以后，华北地区(包括北京)隆起为陆，长期遭受剥蚀，因而全区普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统。这次上升运动的特点是上升幅度大、范围广、速度缓慢，各地上升的幅度和速度也比较均一，因而形成中奥统与上覆中石炭统之间的假整合面。这次地壳运动，从世界范围看，称为“加里东运动”。
4.晚古生代阶段
北京地区经历了晚奥陶世、志留纪、泥盆纪，以至早石炭世近1亿年的长期隆起和破坏，形成凹凸不平的地面，继之而来的是中石炭世频繁的地壳升降运动。在这个不平坦的剥蚀面上，先是残积了铝、铁质及粗粒碎屑的沉积，形成中石炭世底部的铁矿、铝土矿及底部砾岩；随后海水侵漫大陆，形成粉砂质、泥质以至石灰质的沉积。一直到晚石炭世，均为海水时进时退的海陆交互相沉积。
石炭纪海中，腕足类、珊瑚、海百合、纺锤虫等无脊椎动物发育。石炭纪的陆生植物大发展，以石松、节蕨、真蕨、种子蕨和科达类为主。当时气候潮湿温暖，植物繁茂，其中石松类的鳞木可高达30m，森林沼泽密布，呈现典型的热带森林景观。植物死亡后，遗体伴随地壳下降，迅速被泥砂掩埋，这些保存在地层中的植物遗体，就形成煤层。这种情况一直延续到早二叠世前半期，不过这时，海水已经退出，变成了若干陆相盆地，形成的是大陆沼泽成煤相沉积。到了早二叠世后半期，气候变干，植物逐渐衰退，因而形成了内陆盆地的碎屑沉积。到晚二叠世，仍然处于干燥内陆盆地填充相，并有微弱的中性、酸性火山喷发，形成了含有火山碎屑以砂质为主的沉积。石炭二叠纪是地质历史上第一个重要的造煤期。
晚二叠世末，由于北京地区经历着轻微的构造变动，这样，就在上二叠统的顶部与上覆的下侏罗统之间形成了角度不整合。晚古生代末期的地壳运动称为“华力西运动”(又称海西运动)。
5.中生代阶段
三叠纪是中生代的第一个纪。北京附近没有沉积物，进入侏罗纪后，即早侏罗世又是一个重要的造煤期。
中生代陆生植物中的裸子植物自二叠纪晚期兴起以来，到了侏罗纪达到繁盛时期，以苏铁、银杏、松柏类为主，蕨类植物中的真蕨类仍然十分繁盛。如中国北方的锥叶蕨-凤尾银杏植物群，其中银杏类极为繁盛，锥叶蕨和枝脉蕨多种多样，还有凤尾银杏、古银杏和拟金粉蕨。淡水河湖中生活有狼鳍鱼、叶肢介和拟浮蝣等。到了早白垩世，银杏类仍很多；蕨类以鲁福德蕨为特征；松柏类呈开展状的披针形叶片，如披针苏铁杉等，代表适宜成煤的湿润温带型气候。它们的化石在北京都有产出。
北京地区经历了二叠纪末期的构造变动，以及整个三叠纪长期的剥蚀，进入早侏罗世，在低洼地区沉积了厚度不等的砂页岩层(杏石口组)。由于地壳活动性的增强，地壳深部的含铁镁较多的基性岩浆，沿地壳比较脆弱的地带喷出地表，形成玄武熔岩，在西山一带轻微不整合地覆于杏石口组之上。喷发不是连续的，而是具有间断性的，在火山喷发停息期间，在洼地里堆积着很薄的而且较细的泥质沉积物，并埋葬了植物遗体。可借以确定火山喷发的时代。同时，在个别地区也有含硅质稍多的中、酸性岩浆的急剧喷发，形成局部的凝灰质火山角砾岩的沉积。
这次大规模的火山喷发之后，北京市及其附近地区形成了许多断陷盆地(如西山、京东、河北下花园等)，盆地中接受了周围高地带来的泥砂、砾石。在潮湿而温暖的气候下，又是一个有利于植物大量繁殖的时期，因此又形成了一套砂页岩、砾岩与煤层组成的含煤沉积，这就是地质时期第二次重要的造煤期。
经历过早侏罗世的火山活动，断陷盆地沉积，以及末期的构造变动，北京地区进入中侏罗世，早期的断陷盆地又继续下陷，其下陷幅度增大到几千米以上。盆地的下部接受了一套以砂质、粉砂质为主且夹砾石的沉积，并伴生着微弱的火山作用，所以在沉积岩层中夹有凝灰岩及安山岩流1~2层。中侏罗世后期以中性岩浆喷发为主，形成一套巨厚的火山岩和火山碎屑岩，主要有紫红色安山质集块岩、安山岩夹凝灰岩、凝灰质粉砂岩及安山质角砾岩。
进入晚侏罗世，在早期，岩浆活动以酸性喷发为主，形成一套流纹岩、英安岩、流纹质火山碎屑岩夹安山岩等沉积物，厚度变化也极大，从几十米到二千多米。到了晚期，在局部的断陷盆地中，接受了泥质、砂质和砾石质的沉积。
到早白垩世时期，北京地区又进入一个新阶段。一方面仍是断裂升降运动，整个东北部、北部山区及西部都上升了，只有现今西南的坨里、大灰厂及其邻近平原一带是下降地区。由于升降幅度很大，在断陷盆地中形成了一套碎屑岩，早期以砾岩为主，逐渐转为以页岩为主并有泥灰岩，总厚度达1000m以上。另一方面是酸性岩浆的大规模侵入活动。这种侵入活动几乎遍布全市，特别是北山区的延庆、昌平、怀柔一带的断裂活动带尤为明显，形成了各种各样、大小不一的侵入岩体，也形成了与岩浆侵入活动有关的各种金属、非金属矿产——北京重要的内生成矿期。
6.新生代阶段
新生代是地质发展史的最近阶段，长约七千万年，包括第三纪和第四纪，是构造变动很强烈的时代。在生物演化上，最突出的是哺乳动物和被子植物的大发展。
我国现代的地貌轮廓，在中生代末期的燕山运动以后，就基本上奠定了基础。燕山运动后我国东部形成了许多北东-南西向的山脉和断裂，从而出现了大大小小的山间盆地和断陷盆地，北京地区就是其中的一部分。早第三纪时，在老基础上沉积着下第三系的一套砾岩为主的夹黏土质页岩及粉砂岩透镜体的沉积，厚几十米至几百米，分布在坨里、大灰厂、长辛店一线东南侧。这些沉积显然都代表着山麓堆积，不整合地覆于各相关的下伏岩系之上。地表出露仅限于长辛店一带，大部分被埋于地下。
由古有蹄类进化为新类型，特别是奇蹄类的演化极快，例如，从始新世兴起到渐新世后不久即绝灭的两栖犀等化石曾产于长辛店组。
进入晚第三纪，除去上述西南部继续处于盆地环境外，似乎在延庆及其邻区境内也发生了断陷盆地，以致在这些区域都有红色黏土沉积，并有洞穴堆积，红土及红或绿色黏土夹砂砾层。而北京平原区继续下沉，填充了厚达千米以上的泥砂堆积物，其间也发生岩浆喷发活动，在前门组中夹有3~5层玄武岩。周口店地区还有洞穴堆积，并产有丰富的魜鱼属的鱼类化石。晚第三纪是草本植物大发展阶段，北京地跨温带(属泛北极植物区)及热带两个植物区，上第三系中都有它们的代表。
第三纪末期，正是喜马拉雅运动最强烈的时期，北京地区发生普遍上升，在广大地区形成了侵蚀准平原面。
第四纪是地球发展过程中最新、最短、最近的一个时期，大约从二三百万年前到现在的一段历史。下分更新世和全新世。
更新世早期(Q1)的北京，由于地形上的加剧分异，上升的山区有茂密的森林，下降的平原区是平坦的草原，还有发育聚水的湖泊和沼泽，气候温和湿润，植物繁茂。代表我国北方的泥河湾动物群，重要化石有三趾马、三门马、剑齿虎、直隶狼、德氏蹄兔等，属温带森林草原型动物群。沉积物以泥河湾组湖相沉积为主。
更新世中期(Q2)，地壳运动相对稳定，发育有许多石灰岩洞穴，沉积物以洞穴堆积和河流堆积相为主。由于自然环境和气候的关系，剑齿虎、纳玛古象、鬣狗、野猪、肿骨鹿、斑鹿、德氏水牛、披毛犀、洞熊等动物更为活跃，形成周口店动物群，代表着比较喜湿、耐旱、喜暖、耐寒等多种生态类型的动物群。特别是北京人同时期的出现，开辟了人类历史的新纪元。
沉积物以周口店组的洞穴堆积等为代表。周口店第一地点的洞穴堆积厚达40余米，可划分为17层，它们分别由角砾层、泥砂层、钟乳石与灰烬层等组成。哺乳动物群的构成，反映了周口店附近地区有着多样性的生态环境，北京人就生活于这种与今天华北接近的温带气候环境，温暖而湿润，只是其间有过多次波动。
到了更新世晚期(Q3)，气候转向干旱，温度降低，沉积物以马兰组黄土堆积为主。由于气候的变化、一些生物不能适应而灭绝，但是北京人通过艰苦的劳动与自然进行了长期的斗争，终于繁衍子孙而生存下来，演化成新人——山顶洞人(发掘于猿人洞之上)。山顶洞人不仅能制造和使用石器、骨针和捕鱼工具，还能从事艺术活动，制造精致的装饰品。总之，已经与现代人基本上一致了。人类社会已经到了旧石器时代的晚期，距今约18000年左右，地质时代属更新世末期。动物界以山顶洞哺乳动物群为代表，有洞熊、鬣狗、骞驴、赤鹿、斑鹿、普氏羚羊等。
到了全新世(Q4，1万年前开始)，地球的面貌，包括北京地区在内与现代已无明显差别，完全进入了人类有史时代。