A Bacia do Paraná é um espesso conjunto de rochas sedimentares e vulcânicas que repousam sobre o rochas mais antigas, do Escudo cristalino, com mais de 500 milhões de anos. As rochas da Bacia do Paraná são mais recentes e a sua formação se iniciou na Era Paleozoica, no Período Ordoviciano, a 470 milhões de anos, e se estendeu até a Era Mesozoica, a cerca de 65 milhões de anos atrás.
Porém, no sul do Brasil, área de melhor expsoição, a Bacia do Paraná não está completa. Ocorrem rochas a partir do Período Permiano, com 300 milhões de anos. Devese compreender que o mundo era muito diferente neste período, os continente eram outros.
As rochas que formam a Bacia do Paraná estão relacionadas a diversos ambientes (como desertos, rios, deltas e mares) e climas (como glacial, temperado e desértico). Assim, sua interpretação permite reconhecer a história geológica do RS desde o Permiano.
Durante boa parte do Permiano (300250 Ma) o clima foi glacial, e os registros geológicos mostram depósitos formados por material arrastado por geleiras, denominados diamictitos. As rochas ficaram marcadas pela fricção das geleiras com o substrato rochoso (pavimentos estriados).
No Permiano também ocorrem os varvitos, rochas formadas em lagos glaciais nos quais os níveis claros e escuros alternados representam as estações do ano, inverno e verão. Estas rochas pertencem ao Grupo Itararé.
A vida no Permiano do RS era essencialmente marinha, com fósseis de conchas, peixes e vertebrados, como o réptil Mesossaurus.
Ao fim do Permiano o clima se aqueceu gradualmente, e a vegetação se instalou. Os restos de vegetais de antigos pântanos foram transformados pelos processos geológicos, com o tempo, em carvão mineral. As rochas deste Período estão reunidas no Grupo Guatá.
No fim do Permiano o clima sofre nova mudança, tornandose progressivamente mais quente, até que durante o Triássico (250200 Ma) se instala um clima quente e seco, e domina um ambiente continental com rica paleofauna de vertebrados tetrápodes. O melhor registro deste período está nas rochas da Formação Santa Maria.
No Triássico surgem répteis diferentes, muito semelhantes ao mamíferos, denominados cinodontes. Estes répteis são os ancestrais dos mamíferos. Na passagem do Período Triássico para o Jurássico (200150 Ma) o clima fica desértico e um gigantesco deserto, chamado Botucatu, domina a Bacia do Paraná, assim as rochas que compõe esta unidade são denominadas de Formação Botucatu.
São também do Triássico os troncos de coníferas (pinheiros) fósseis encontrados nas cidades de Mata, São Pedro do Sul e Butiá. Um intenso vulcanismo do tipo fissural marca o fim do Triássico, momento onde um grande e antigo continente se quebra e suas partes originam a América do Sul e a África. Os derrames de lavas atualmente constituem as rochas da região serrana do RS, como as do Canyon do Itaimbezinho. Este magmatimo perdura até o meio do Cretáceo (15065 Ma). Estas rochas pertencem ao Grupo Serra Geral.
As rochas da Bacia do Paraná fornecem muitos recursos minerais, como o carvão, para geração de energia; os diversos arenitos, que além de reservatório de água, juntamente com o basalto Serra Geral e argilas, são insumos para a construção civil.