Les paysages que l'on observe depuis les hauteurs du mont Royal témoignent de l'histoire géologique de la région de Montréal. Au nord, la plaine est limitée par les Laurentides, massif montagneux vieux de plus d'un milliard d'années. Au centre, elle est parsemée de quelques reliefs: les collines Montérégiennes et les massifs plus anciens d'Oka et Rigaud.

La région est aujourd'hui recouverte d'un manteau de matériaux meubles, constitués d'argile, de sable et de gravier, datant du Quaternaire, la période géologique dans laquelle nous vivons. Les grands reliefs actuels ont été façonnés par la fragmentation et la collision de plaques tectoniques durant des millions d'années, ainsi que par l'érosion.

La Province de Grenville est une subdivision du Bouclier canadien. Elle comprend les roches les plus vieilles de la région. Ces roches représentent les racines profondes d'une chaîne de montagnes, aujourd'hui rasée par l'érosion, formée entre 1 500 et 900 millions d'années. À cette époque, la Laurentie, l'ancêtre du Bouclier canadien, est entrée en collision avec d'autres continents entraînés parle déplacement des plaques tectoniques. Une imposante chaîne de montagnes comparable à l'Himalaya est née de cette collision. Les roches des Laurentides présentent des structures de déformation et de métamorphisme qui témoignent d'une longue période d'activité tectonique.

Vers la fin du Précambrien, il y a environ 600 millions d'années, un grand continent se divise. Une partie de la chaîne de montagnes du Grenville se fracture et un fossé d'effondrement, ou rift, donne progressivement naissance à un océan durant le Paléozoïque. De 600 à environ 420 millions d'années, l'écorce terrestre s'enfonce doucement et des sédiments marins s'accumulent en marge des terres, sur la plate-forme continentale. Un océan appelé Iapétus va recevoir d'énormes quantités de sable et de boue fossilifère, qui deviendront progressivement des roches aujourd'hui très utiles à notre économie. La région de Montréal était alors située près de l'équateur et le paysage s'apparentait probablement à celui de la côte actuelle de l'océan Atlantique. Durant des millions d'années, l'Afrique et l'Amérique du Nord se rapprocheront, jusqu'à ce qu'elles ne forment plus qu'un continent. Cette nouvelle collision continentale provoque la formation des Appalaches. Les basses terres du Saint-Laurent émergent aussi de l'océan. Et les nouvelles terres sont alors soumises à l'érosion.

Il y a environ 125 millions d'années, du magma perce la croûte terrestre dans la région de Montréal et cristallise lentement en profondeur le long de multiples conduits. Ce sont les intrusions Montérégiennes qui se mettent enplace. Elles contiennent des minéraux rares; le cas le plus connu est celui du mont Saint-Hilaire. Dans certains cas, le magma afait éruption à la surface et nourri des volcans aujourd'hui complètement disparus. Depuis cette période, l'érosion a enlevé plusieurs kilomètres de roches. Les collines visibles aujourd'hui représentent les chambres magmatiques et une partie des conduits dans lesquels la roche en fusion s'est infiltrée.

Entre 1 600 000 et 10 000 ans, plusieurs périodes glaciaires se succèdent sur la Terre. Chacune d'elles provoque l'accumulation d'imposantes calottes glaciaires, ou inlandsis, qui ont couvert presque tout le nord du continent. Le travail d'usure, lent et progressif, de ces glaciers a contribué à aplanir les reliefs grenvilliens et appalachiens. La plus récentede ces glaciations s'est terminée il y a environ 10 000 ans, laissant sur le pays une nappe de till, matériau constitué de blocs, de cailloux, de sable et de boue. Il y a environ 12 000 ans, alors que la déglaciation s'accélère, la vallée du Saint-Laurent, encore déprimée sous l'effet de la surcharge des glaciers, est envahie par les eaux de l'Atlantique: c'est le début de la Mer de Champlain. Les meilleures terres agricoles de la vallée du Saint-Laurent sont l'héritage des sédiments fins déposés dans cette mer post glaciaire. Puis un lac succède à la mer, vers 9 500 ans. Il se réduit progressivement pour être remplacé par deschenaux, désormais occupés par de grandes tourbières. Les lacs Saint-François et Saint-Pierre sont des vestiges de cet épisode.