El relieve de la Comunidad de Madrid se puede clasificar en dos grandes unidades fisiográficas: las sierras y las llanuras. Bien es verdad que además podemos considerar una zona de transición que también se suele denominar rampa o presierra. Las tres unidades de relieve están íntimamente relacionadas por un pasado, no muy lejano, de levantamientos y hundimientos geológicos así como de una intensa actividad erosiva y de colmatación.

Durante el Paleozoico (alrededor de 400 m.a., periodo Silúrico), sedimentos marinos emergieron del agua y se comprimieron debido a la orogénesis Caledoniana, formando materiales como el gneis, la pizarra o las cuarcitas.

Bajo la influencia del mar, entre el período Carbonífero y Pérmico (hace 250 m.a.) nuevos sedimentos de enorme espesor fueron levantados por movimientos orogénicos de extraordinarias magnitudes (orogénesis herciniana), constituyendo grandes cordilleras (primitivo zócalo ibérico) que debieron tener un aspecto similar al actual relieve alpino. Pero algo característico iba a acompañar a tan prominente relieve que condicionaría el futuro paisaje (el que ahora nos encontramos): la intrusión de grandes masas magmáticas (granito) y la múltiple fracturación del macizo emergido.

Tuvieron que pasar muchos millones de años hasta que los procesos erosivos transformasen el abrupto relieve en una llanura ligeramente basculada hacia el Este (nos situamos en el Mesozoico, hace unos 100 m.a.).

Ya en el Cretácico (hace 80 m.a.), el mar de Thetys (forma primigenia del actual Mediterráneo) inicia una transgresión marina, avanzando hacia el NO, cubriendo parte de la llanura herciniana y quedando algunas pequenas áreas emergidas. Los sedimentos calcáreos fueron depositándose en el fondo marino, dando origen a los estratos calizos que más tarde emergerían, siendo reconocibles en la Sierra Norte de Madrid los del Valle del Lozoya y el transecto geológico de Guadalix de la Sierra-El Vellón-Torrelaguna-Patones.

Más tarde, ya en el Cenozoico, una regresión marina alejó la línea de costa de la parte central del antiguo macizo herciniano coincidiendo con el periodo de orogénesis alpina, como resultado de la convergencia y posterior colisión de las placas europea y africana. Este evento geológico, que rejuveneció el relieve del zócalo herciniano, comenzó hace unos 35 m.a. y se prolongó a lo largo de 10 m.a.; como podemos reconocer fue un largo parto el que dio a luz al Sistema Central.

Las antiguas y endurecidas rocas hercinianas se fragmentaron y mediante movimientos tectónicos se levantaron y hundieron, generando dos grandes bloques casi paralelos (con altitudes que en la actualidad rebasan los 2.000 m) que confinan otro hundido (la "depresión del Lozoya"). Más al sur, otro extenso hundimiento constituye la "fosa del Tajo". Durante el Mioceno la incipiente erosión del relieve, unido a fenómenos de sedimentación, empiezan a constituir una nueva penillanura. A finales de este mismo período, hasta el Plioceno, se reajustaron los grandes bloques rocosos lo que produjo que finalmente, hace unos 3,5 m.a., el zócalo quedase inclinado hacia el Oeste, reorientando de esta forma el sentido en el que corrían las aguas del Duero y del Tajo. Ya en el Plioceno se encaja la actual red fluvial y se va perfilando en el Cuaternario (1,8 m.a. hasta la actualidad).

Este último periodo aportará aún algunas novedades en la estética orográfica: la glaciación Würm (120.000-20.000 años). Esta larga época de frío provocó un modelado glaciar que está presente en algunos puntos de las cumbres de Guadarrama. En la zona de la Sierra Norte las huellas glaciares son perceptibles en el Pico Nevero (2.209 m), Puerto de Lozoya, Pico Reajo Alto (2.105 m) y áreas de influencia como La Nevera (1.900 m) (Izco, 1984).