松遼盆地的形成和發展受燕山運動的影響和控制，其演化可分為五個階段:盆地發展初期、盆地發展繁榮階段、盆地面積收縮階段、盆地結構定型階段和現代松嫩平原定型階段。
盆地發展早期:受燕山期強烈構造運動的影響，侏羅紀以來出現不連續的小型地塹式斷陷盆地，沈積了厚度約2000 m的侏羅紀火山碎屑巖。
盆地發展的繁盛階段:早白堊世，在侏羅紀斷陷盆地的基礎上發展了大型斷陷盆地，盆地面積逐漸擴大，沈積了下白堊統登婁庫組。後來斷陷盆地迅速發展，形成了統壹的大型坳陷盆地，沈積了下白堊統泉頭組、青山口組、姚佳組和嫩江組，厚度約6000 m，其範圍約為20×104km2，是松遼盆地發展的鼎盛時期。當時盆地內湖泊較深，沈積範圍較廣。由於盆地四面環山，古松遼盆地當時是周圍水體的匯水區，是大量碎屑和可溶性鹽類物質沈積富集的地方，形成了厚度巨大的湖相沈積和三角洲沈積。
盆地面積縮小階段:早白堊世末，嫩江組和四方臺組之間的盆地發生了明顯的褶皺運動，導致白堊紀次級構造和局部構造原型的形成；晚白堊世初期，盆地邊緣上升，湖泊逐漸萎縮，盆地面積縮小，沈積四方臺組。此後，盆地東部和北部持續隆升，沈積中心西移，沈積了明水組。
盆地結構形成階段:中生代末，盆地又壹次明顯的褶皺運動，盆地內的次級構造和局部構造基本形成。受兩次褶皺運動，特別是最後壹次褶皺運動的影響，白堊紀地層褶皺和斷層發育，特別是在東部隆起區，在背斜軸部和斷裂帶形成了良好的儲水構造。
現代松嫩平原形成階段:早第三紀，松遼平原處於擡升剝蝕期，地形已達到準地臺化。始新世和漸新世盆地緩慢下降，盆地中部濱州鐵路以北的廣大地區沈積了義安組(E2-3y)的湖沼碎屑巖。中新世早期，在準夷平的松遼平原上，開始形成從古嫩江到西遼河的向心內部水系，沈積了以湖相為主混河流相的大安組。上新世早期，松遼盆地受中央坳陷和開魯斷陷控制，松遼向心水系進壹步發育。上新世晚期，松遼坳陷大幅度下沈，形成了松遼大湖的全盛時期，形成了古近紀以來最大、最寬、最深的湖盆，沈積了太康組(表2-4)。
表2-4松嫩平原古近紀和新近紀沈積環境演化表
第四紀以來，松遼平原周邊山脈隆升，盆地繼續以沈降為主，但有所差異，平原水系發生重大變化。早更新世末或中更新世初，松花江下遊的河流穿過三星以東的分水嶺，奪取松花江中遊的河流，向東北流入黑龍江。在同期新構造運動的影響下，下遼河也穿過鐵嶺丘陵，奪取了東遼河和西遼河。松遼水系由向心變為流出，松遼平原壹分為二，松嫩平原開始形成。中更新世，中央坳陷再次下沈，松嫩大湖重現。經過多次外力作用，松嫩大湖不斷被填平，到晚更新世初，已全部消失，松嫩平原水文網基本形成。全新世以來，松嫩平原總體隆升，形成了現代松嫩平原的地貌和水系。