Az óidő felső perm időszakában (a Pangea szuperkontinens létrejöttének
következményeként) bekövetkezett szárazság hatására a Bakony és a Balaton
félsivatagi tájjá változott. Ezt bizonyítják a vörös színű törmelékes üledékek.
Ez a réteg nem túl jelentős a Tapolcai-medencében (de a Tóti-hegy alapzatának
a fele vörös homokkő).
A Pelsói mikrolemez (a többi különálló masszívumhoz hasonlóan) a hegységképződések
függvényében többször süllyedt vagy emelkedett. Ilyenkor a tengerek keskeny
sávokat öntöttek el. Egy ilyen, a felső triászban bekövetkezett elöntéskor
keletkezhetett a leszakadt rész (amely akkor még a Bakonyhoz tartozott) 600
m vastag fődolomit-takarója. Ekkor még a Bakony valahol a mai Afrika területének
helyén helyezkedett el (erre utalnak a későbbi átalakulások), és csak később
kezdett el északkeleti irányba tolódni Ez a fődolomit később átkristályosodott,
és így eltűntek belőle az egykori életre utaló jelek.
A miocén időszakban (a terület süllyedése miatt) északnyugat felől újból kezdett
benyomulni a Kárpát-medencébe a Thetys-tenger, és a korszak közepe felé elöntötte
ezt a területet. A terület folytonos süllyedése ellenére a tenger sekély maradt,
mert a feltöltés állandó volt. A tengerből szinte szigetként emelkedtek ki
a nagyobb hegyek, és a mai Égei-tenger medencéjéhez hasonlíthatott. Ez a pannóniai
beltenger vize az alsópannon kor elején még enyhén sós vizű volt, de a folyók
édes vize fokozatosan hígította, majd a felső pannon kor közepén megszűnt
az összeköttetése a tengerrel, így egy óriási kiterjedésű, sekély, enyhén
sós vizű tóvá alakult. A folyamatos feltöltés hatására hatalmas üledékréteg
rakódott le, aminek következtében a tó több, kisebb-nagyobb részre oszlott
fel, melyek elmocsarasodtak. Ebben az időszakban keletkeztek a medence vulkanikus
hegyei (bővebben az I/5. fejezet)
A tapolcai-medence északi részére mészmárga és szarmatai durva mészkő rakódott
le. Ezek a rétegek a medence északi részében nagy kiterjedésben megtalálhatóak.
Részben ebben a miocénközepi mészkőrétegben, részben a később erre rakódott
mészkőben alakult ki évmilliókkal később a tapolcai Tavasbarlang. A medence
déli területén (a gyorsabb süllyedés következtében) vastagabb miocénkori rétegek
rakódtak le. A terület süllyedésével lépést tartva rakódott le az alsó pannonban
agyag, homokos üledék. A felső pannonban nagy vastagságú kavicsos, homokos
rétegek váltakoztak, köztük vékony agyagréteggel. Az ebben a korban keletkezett
üledékrétegek összes vastagsága meghaladhatja a 400 m-t is.
A Káli-medencében az alsó pannonban homokos, kvarchomokos, kvarcitos, kavicsos
üledékek képződtek. Ezek a homokok nagy tisztaságúak, teljesen apró kvarcszemcsékből
állnak, emiatt üveggyártásra, öntödei homoknak is használják (az építkezésen
kívül).
A pliocén kor végére a terület szárazra került, a negyedkor első felében az
éghajlat lehűlt, így ez a terület is periglaciális területté vált. Folytatódott
az édesvízi mészkőképződés, újabb mészkőfelszín került a medence egy részére
(lásd a tapolcai Tavasbarlang). Természetesen itt is megfigyelhetőek voltak
a jégkorszak jellemző termékei, így például a lösz, homok.
A pleisztocén végén alakult ki a Balaton mainál nagyobb medencéje, mely ellepte
a Tapolcai-medence nagy részét, a víz a tanúhegyeket körülölelte, így szigetként
emelkedtek ki a vízből.
A holocénban képződött (a Balaton visszahúzódása után) a Szigliget-tapolcai
láp- és tőzegterület, ami még mindig megtalálható. A lápterületet a medencén
keresztülfutó patakok látják el vízzel, emiatt forrásláp.