In geologischer Hinsicht liegt Zürich im Molassebecken des Schweizer Mittellandes. Das Becken wurde im Lauf des Tertiärs mit dem Abtragungsschutt der entstehenden Alpen aufgefüllt, wobei sich die Sedimente in verschiedene Schichten unterteilen lassen. Ablagerungen unter marinen Bedingungen werden als Meeresmolasse, solche unter fluviatilen Bedingungen als Süsswassermolasse bezeichnet.
Von Bedeutung für das Gebiet von Zürich ist die Obere Süsswassermolasse, die in der Zeit vor etwa 16 bis 5 Millionen Jahren abgelagert wurde. Sie setzt sich aus einer Wechsellagerung von harten Sandsteinbänken und weichen Mergelschichten zusammen und tritt insbesondere am Uetliberg sowie an den Hügeln östlich der Stadt zutage. Mittels einer Tiefenbohrung würde man im Untergrund von Zürich eine mehr als 1000 m mächtige Schicht von Molasseablagerungen finden, bevor man auf die Sedimente der Jurazeit stossen würde.
Die entscheidende landschaftliche Überprägung erhielt die Region von Zürich durch den Vorstoss des Rhein-Linth-Gletschers während der verschiedenen Eiszeiten. Durch den Gletscher wurden bereits existierende Talmulden vertieft und erweitert sowie neue Täler geschaffen. Das Limmattal und das Glattal sind mit Schottern des Eiszeitalters sowie mit weiteren Sedimenten der Nacheiszeit aufgefüllt. Noch am deutlichsten sichtbar sind die Spuren der Würm-Vergletscherung. Während des sogenannten Stadiums von Zürich (etwa 20000 Jahre vor heute) entstand der Moränenwall, der den Zürichsee im Norden abschliesst. Er wird durch den Höhenrücken zwischen dem See und dem Sihltal, durch die Höhe beim Lindenhof in der Altstadt und durch das Burghölzli markiert, während das Sihltal den Schmelzwasserstrom am Rand des Gletschers aufnahm.