Sự bằng phẳng của đáy Thung lũng Trung tâm tương phản với đặc trưng của hầu hết địa hình California- tức những ngọn đồi gồ ghề hay các dãy núi thoai thoải. Thung lũng được cho là ban đầu nằm dưới mực nước biển, do một khu vực ngoài khơi bị nén xuống bởi sự hút chìm của phiến Farallon vào một rãnh xa hơn ngoài khơi. Đới đứt gãy San Joaquin là một đặc điểm địa chất đáng chú ý của Thung lũng Trung tâm.

Thung lũng sau đó bị bao quanh khi dãy núi Bờ biển được nâng lên, cửa thoát nước ban đầu của nó là vịnh Monterey. Đới đứt gãy làm di chuyển dãy núi Bờ biển, và một cửa thoát nước mới được hình thành gần nơi mà nay được gọi là vịnh San Francisco. Trong hàng thiên niên kỉ, thung lũng bị bồi lấp do trầm tích từ các dãy núi, cùng với đó là Sierra Nevada nổi lên ở phía đông; sự bồi lấp cuối cùng tạo ra một vùng đất bằng phẳng lạ thường có độ cao chỉ vừa đủ ở trên mực nước biển. Trước khi xây dựng hệ thống cống dẫn nước và kiểm soát lũ lụt đồ sộ của California, lượng tuyết tan hàng năm biến nhiều khu vực của thung lũng thành một biển nội địa.

Một ngoại lệ đáng chú ý của vùng đáy bằng phẳng của Thung lũng Trung tâm là Sutter Buttes, tàn tích của một ngọn núi lửa đã tắt ở ngay phía tây bắc của thành phố Yuba và nằm cách 44 dặm (71 km) về phía bắc của Sacramento.

Về mặt địa văn học, Thung lũng Trung tâm nằm trong khu vực địa văn học của máng California, và bản thân nó lại là một phần của vùng Ranh giới Thái Bình Dương, mà tiếp theo lại thuộc về hệ thống núi Thái Bình Dương.[3][4]