古长江形成于远古时代，长江流域的绝大部被海水所淹没。距今2亿年前的三叠纪时，长江流域部仍被古地中海（即特提斯海）所占据，当时西藏、青海部分、云南西部和中部、贵州西部都是茫茫大海。湖北西部，是古地中海向东突出的一片广阔的海湾，海湾一直延伸到今日长江三峡的中部。长江中下游的南半部也浸没在海底，中下游的北部和华北、西北亚欧古陆的东部，地势较高。发生于距今1.8亿年前三叠纪末期的印支造山运动，那时开始出现了昆仑山、可可西里山、巴颜喀拉山、横断山脉，秦岭突起，长江中游南半部隆起成为陆地，云贵高原开始呈现。在横断山脉、秦岭和云贵高原之间，形成断陷盆地和槽状凹地。同时，云梦泽、西昌湖、滇湖等相互串联，从东向西，经云南西部的南涧海峡，流入地中海，与今长江的流向相反。
今长江的形成发生在距今1.4亿年前的侏罗纪时的燕山运动，在长江游形成了唐古拉山脉，青藏高原缓缓抬高，形成许多高山深谷、洼地和裂谷。长江中下游大别山和川鄂间巫山等山脉隆起，四川盆地凹陷，古地中海进一步向西部退缩。距今1亿年前的白垩纪时，四川盆地缓慢上升，夷平作用不断发展，云梦、洞庭盆地继续下沉。距今3000-4000万年前的始新世，发生强烈的喜马拉雅山运动、青藏高原隆起，古地中海消失，长江流域普遍间歇上升。其上升程度，东部和缓，西部急剧。金沙江两岸高山突起，青藏高原和云贵高原显著抬升，同时形成了一些断陷盆地。由于河流的强烈下切作用，出现了许多深邃险峻的峡谷，原来自北往南流的水系相互归并顺折向东流。长江中下游上升幅度较小，形成中、低山和丘陵，低凹地带下沉为平原（如两湖平原、南襄平原、都阳平原、苏皖平原等）。到了距今300万年前时，喜马拉雅山强烈隆起，长江流域西部进一步抬高。在地势作用下，向西流的那支古长江开始向东流去，形成了现今的长江。