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Seit dem Einbruch des Oberrheingrabens im Eozän wurden der Schwarzwald an der östlichen und die Vogesen an der westlichen Grabenschulter herausgehoben. Im Zentrum sitzt der (miozäne) Kaiserstuhlvulkan. Das mesozoische Deckgebirge wurde in der Folgezeit auf den Höhen bis auf Reste des Buntsandsteins und des Rotliegenden weitgehend abgetragen, während es im Grabeninneren erhalten ist. Im Pliozän setzte eine ausgeprägte, aber ungleichmäßige Aufwölbung ein, die den südlichen Schwarzwald mit dem Feldberg am stärksten erfasste. So liegt heute im nördlichen Teil um die Hornisgrinde die Oberfläche des Grundgebirges wesentlich niedriger. Im mittleren Schwarzwald entstand die tektonische Mulde von Kinzig und Murg.

Die geologische Haupteinheit des Schwarzwalds bildet der kristalline Sockel des variszischen Grundgebirges. Er wird im Osten und Nordosten von Buntsandsteintafeln, dem sogenannten Deckgebirge, überlagert. Am Westrand erstreckt sich zum Oberrheingraben hin eine staffelbruchartig abtreppende Vorbergzone mit Gesteinen des Trias und Jura.