Lógicamente, el sector central, que constituye el reflejo morfológico actual de la antigua depresión terciaria, presenta cotas mucho menores, aunque muy variables. Disminuyen desde el extremo noreste hacia el borde occidental: en los llanos de La Alcarria las cotas están próximas a los 900 m s. n. m.; en Aranjuez han descendido por debajo de los 500; en Navalmoral de la Mata rondan los 300; y, en las tierras del Sur de Coria, solo permanecen a poco más de 200 m s. n. m. Posteriormente, el Tajo llega a su desembocadura en un estuario cercano a Lisboa, ya en tierras portuguesas.

El origen geológico de la cuenca terciaria tiene que ver con la reactivación, durante la Orogenia Alpina, de antiguas fracturas tardías de una orogenia anterior, la Hercínica. El zócalo, formado por el conjunto de materiales geológicos en los que se apoya la cuenca, alcanza mayor profundidad en el contacto mediante falla con el Sistema Central, donde presenta un salto de 3.000 metros en el sector de Gredos y en Guadarrama, desnivel que disminuye progresivamente hacia el noreste y suroeste. Por el sur, otra falla importante, aunque de menor salto, levanta los Montes de Toledo. Por el este, el zócalo desciende bruscamente bajo la Sierra de Altomira, dejando una zona deprimida que pertenece geológicamente a la zona externa de la Cordillera Ibérica. El zócalo de la cuenca está compartimentado, debido a la existencia de una tectónica de bloques, con movimientos diferenciales entre estos, que han originado cuatro subcuencas, de este a oeste: la Depresión intermedia, localizada entre la Serranía de Cuenca y la Sierra de Altamira; la Cuenca de Madrid; el Borde meridional de Guadarrama y Somosierra; y la Cuenca occidental del Tajo.

En lo relativo a la historia sedimentaria del relleno de la depresión del Tajo, la sedimentación de materiales conglomeráticos que supone el inicio del mismo en una parte de la cuenca se produjo como consecuencia de una fuerte erosión de las sierras circundantes a finales del Paleógeno. A continuación, la sedimentación miocena tuvo lugar bajo un régimen continental, sin conexión con el mar. En los bordes de la depresión se depositaron sedimentos detríticos gruesos, mientras que en las zonas centrales lo hicieron sedimentos más finos y materiales de tipo evaporítico, como yesos y sales diversas. Al final del Mioceno se instauró una red fluvial bien definida, que dio lugar a los depósitos detríticos de la base del Pontiense. Posteriormente, se inició una sedimentación de tipo lacustre, con el depósito de las calizas de los Páramos, que originan relieves en mesa muy característicos.

Durante el Plioceno, ya en los últimos cinco millones de años, se originó un suave basculamiento generalizado de la región central de la Península hacia el Suroeste, pasando la cuenca de ser endorreica a ser exorreica. Los depósitos conocidos como rañas se corresponden a este singular momento de la historia geológica.

Por lo que respecta a los bordes de la cuenca hidrográfica, en ellos afloran materiales geológicos más antiguos, encuadrados en las grandes unidades denominadas zona Centro-Ibérica del Macizo Hespérico (Sistema Central y Montes de Toledo) y en la Cordillera Ibérica (borde oriental).

El Sistema Central y los Montes de Toledo están constituidos, en su mayor parte, por materiales precámbricos y paleozoicos, de tipo detrítico e ígneo. Los materiales de la Cordillera Ibérica son fundamentalmente sedimentos mesozoicos: Triásico en facies germánica, jurásico calcáreo-margoso y cretácico, detrítico en la base y carbonatado en los niveles superiores.