四川盆地由连结的山脉环绕而成，海拔1～3
千米，东边是巫山，南边是大娄山、大凉山，西边是大雪山、邛崃山、岷山、北边是大巴山、米仓山。在地理上，四川盆地几乎是完全封闭的。排水系统方面，川水从长江巫峡流出，这也是四川唯一的排水通道。
盆地在古生代时相对隆起，印支运动转换为大型拗陷，喜马拉雅运动后发生褶皱隆起。盆地格局大致为菱形，广元、雅安、叙永、云阳为四顶点，东西两边稍长，南北两边略短。距今约1.4亿年前，是内陆湖盆；距今6.6千万年时，盆地边缘山地隆升，长江中上游水系开始沟通；盆地内湖水向东倾泻形成现在的地貌。
盆地边缘为环绕盆地的相连山脉，山势陡峻，发源边缘山地的河流多为“V”型的峡谷，岭谷高差大，地表崎岖，所以有“蜀道难，难于上青天”之说。山脊海拔多在2～3千米，少数超过4千米。地表广泛出露古生代的石灰岩，次为板岩、片岩、结晶灰岩、石英岩、砂泥岩和砾岩等。石灰岩区分布着石林、溶洞、暗河、槽谷等喀斯特地貌。巫山十二峰和金佛山主要由石灰岩发育而成；峨眉山由石灰岩、玄武岩、花岗岩等组成，青城山由砂泥岩、砾岩等组成。
盆地中央海拔多在250～700米，地势东南倾，盆地内河流都是由边缘山地汇聚到盆底的长江干流，形成向心状水系。大面积的中生代紫红色砂岩、泥岩覆盖地表，有“红层盆地”、“紫色盆地”之称，是中国中生代陆相红层分布集中地区。四川盆地为丘陵性盆地，除西北部为成都平原外，盆中以丘陵为主；盆东有系列平行岭谷。
长江的几大支流岷江、沱江、嘉陵江都在四川盆地内沿西北—东南方向注入长江。