按海底扩张和板块构造学说，地中海的发展过程，大致先以大洋中脊为轴，向南北两面扩张，逐渐形成巨大浩瀚的特提斯洋（古地中海），它扩及的范围，不仅包括现在的地中海，还包括现今的整个南欧和中、西欧部分地区，向东包括现今的黑海、里海、小亚细亚、伊朗高原、帕米尔高原、青藏高原、喜马拉雅山以及中南半岛等地区，并包括现在印度半岛、马来群岛甚至澳大利亚大陆所占据的地区。当时特提斯洋呈扇状，在东部扩张展开与古太平洋连成一片。
后来，大约从中生代早期开始，南方的冈瓦纳大陆逐渐解体分离。特提斯洋地方的欧亚板块与南方的非洲、阿拉伯、印度板块相向运动，使海域的范围逐渐缩小。到新生代第三纪，印度板块与欧亚板块直接相撞，上部岩层褶皱和抬升，遂形成今日的青藏高原、喜马拉雅山系，阿拉伯板块与欧亚板块碰撞，伊朗高原、小亚细亚高原抬升，于是特提斯洋东部消失。
欧洲南部的阿尔卑斯等山系（包括北非的阿特拉斯山系），也是非洲板块与欧洲板块（欧亚板块之一部）碰撞造成的。但非洲板块与欧洲板块的相对运动要比印度板块与欧亚板块之间的相对运动更为复杂，即大致在中生代到新生代中新世之间，南北板块既有左右相对错动（最大错距达 1500 km左右），又有三角形的旋转运动（非洲板块以摩洛哥为轴作反时针旋转 50°运动），再加上在南欧范围内中生代以前就已存在着几块微型大陆或小的板块（如撒丁、罗多彼、梅塞塔等），致使地中海周围形成复杂的旋扭构造体系。
据研究，在东地中海北部，非洲板块下部已俯冲到欧洲板块下面，这是爱琴海和意大利南部一带地震和火山频繁的原因。由于非洲板块上层陆地尚未与欧洲板块上层陆地直接接触，因此，特提斯洋在非、欧大陆之间还残存了现今的水域——地中海。
大约2000万年前，地中海是一条宽阔的航道，它通过两条狭窄的海峡与大西洋连接。地壳运动封闭了海峡，被陆地包围的地中海也开始蒸发。由蒸发引起的越来越高的盐度造成无脊椎动物种类的灭绝。只有一些能抵抗高盐度条件的物种保留下来。
随着蒸发的继续进行，盐水浓度太高以致硬地层的硫酸钙发生沉淀。在盆地的中间深处，剩余盐水的持续蒸发形成更多的可溶的氯化钠（盐）。后来，在上层沉淀物的重压下，盐向上形成了含盐的圆顶。然而在这之前，地中海是一个3000米深的大沙漠。
然后，550万年前发生了洪水。作为地壳调整和断层作用的结果，连接地中海和大西洋的直布罗陀海峡打开了，水流像瀑布一样壮观地涌回地中海。湍急的水流冲击并摧毁了坚硬的含盐层，使把它们磨成了Challenger号获得的第一份样品中所观察到的鹅卵石。随着盆地的填充，普通的海洋生物又回来了。不久后海洋软泥层开始在老的硬地层上堆积。
