石林的形成经历了漫长而复杂的地质演化过程。现今看到的石林主要形成于4个地质历史时期：1.二叠纪中期（2.6亿年前）；2.白垩纪末期－第三纪早期（8－6千万年前）；3.第三纪晚期（5－2百万年前）；4.第四纪（2百万年前至今）。

2.7亿年前的中二叠世，石林地区为海洋环境，海底沉积形成了数百米厚的石灰岩，后地壳抬升，石林地区处于湿热古海岸边缘，溶蚀形成了最早期的石林。紧随其后的火山熔岩喷溢，使石林被厚厚的玄武岩覆盖。中生代时期，石林地区一直处于缓慢抬升和剥蚀夷平状态, 玄武岩盖层大部被剥蚀 。约6千万年前，第三纪早期的喜马拉雅运动使石林地区掀斜抬升，转为内陆山间湖泊环境(路南古湖)。晚第三纪以来，石林地区快速抬升，向现代高原丘陵盆地演化。在持续而间歇的抬升过程中，石林地貌一直处在继承和替代的过程，老的石林逐渐消失，新的石林不断形成，期间，大部分石林都经历了两次被覆盖（二叠纪末的火山熔岩和早第三纪的湖泊红层）和两次再出露的过程。石林漫长而复杂的演化过程在世界上是极罕见的。

半风化玄武岩

2亿多年前的二叠纪石芽再次从玄武岩盖层 中出露

受玄武岩烘烤的古老黑色石芽

石林与玄武岩风化红土

早第三纪湖泊沉积的底砾岩

从第三纪红层（底砾岩）中再次出露的石林

早第三纪始新世湖泊沉积红层

石芽与红层

石林与早第三纪湖泊沉积

石林与石芽