各个地质历史时期的地层在长沙市均有出露，最古老的地层大约是10亿年以前形成的。

　　约6亿年前，长沙是茫茫大海，但海水不深。以后，海水逐步由东而西退出，浏阳、长沙与望城大部分地区升出海面，成为江南古陆的西北缘。距今约1.4亿年，长沙地区海浸结束，上升成为陆地，由于地壳运动与地质构造的影响，形成长条形的山间坳陷盆地——长（沙）平（江）盆地。

　　新生代开始，整个长平盆地上升为陆地。距今约350万年前，地球上发生第三次冰期，浏阳保留冰川地貌遗迹。全市地貌总的特征是：地势起伏较大，地貌类型多样，地表水系发育。长沙市东北是幕阜～罗霄山系的北段，西北是雪峰山余脉的东缘，中部是长衡丘陵盆地向洞庭湖平原过渡地带。

　　东北、西北两端山地环绕，地势相对高峻，中部递降趋于平缓，略似马鞍形，湘江由南而北斜贯中部，南部丘岗起伏，北部平坦开阔，地势由南向北倾斜，形如一个向北开口的漏斗。

　　城内为多级阶地组成的坡度较缓的平岗地带，湘江中的橘洲长5公里，在全国城市中绝无仅有。