El relieve de la cordillera Cantábrica es el resultado de numerosos procesos, algunos de los cuales siguen aún en actividad, que comenzaron con el depósito de los sedimentos hace unos 600 millones de años. Los factores condicionantes del mismo son, como ya hemos visto en la descripción de las diferentes áreas, la litología, que condiciona la resistencia a la erosión de las rocas, la tectónica, a la cual se debe la distribución de las rocas y su disposición en el espacio, así como la posición relativa al nivel del mar, y el clima, escultor final de las formas del relieve.

Con respecto a la sedimentación, las rocas asturianas se depositaron en dos cuencas marinas claramente diferenciadas que hoy constituyen las llamadas Zona Astur Occidental Leonesa y Zona Cantábrica. En la Zona Astur Occidental Leonesa, los sedimentos depositados en el fondo del mar son principalmente de carácter arcilloso y arenoso, lo que da lugar posteriormente a una acumulación de varios miles de metros de pizarras y areniscas, con muy escasas capas de caliza. Las capas de areniscas y cuarcitas, más resistentes, darán lugar a las mayores elevaciones, encontrándose las pizarras y calizas en las áreas deprimidas. En conjunto, la sucesión sedimentaria es más homogénea que la de la Zona Cantábrica, por lo que el relieve es también más uniforme. Por otra parte, en la cuenca de la Zona Cantábrica, los sedimentos depositados son mucho más variados y los espesores de cada litología en general más reducidos. Abundan las calizas y las areniscas o cuarcitas, con intercalaciones pizarrosas poco importantes, con excepción de las rocas Carboníferas en las que éstas suelen predominar. El relieve será por tanto más variado, no sólo en su distribución sino en las formas, debido a la presencia de abundantes calizas, rocas solubles en las aguas superficiales. Por último, en ambas zonas se depositan sedimentos después de la deformación principal, en los que existen también rocas de medios subiéremos, mientras que en las cuencas anteriores, se trataba sobre todo de sedimentos marinos. En estas rocas post-tectónicas abundan las arcillas y calizas, con menor proporción de arenas y conglomerados, dando lugar también a un relieve totalmente diferente del de las rocas de las dos cuencas anteriores.

La influencia de la tectónica se hace notar muy pronto en las cuencas de sedimentación, ya que la propia cuenca se origina por los movimientos de la corteza terrestre. A finales del Precámbrico (hace unos 600 millones de años), las rocas depositadas hasta entonces son plegadas y erosionadas, por lo que los conglomerados que constituyen los primeros depósitos posteriores a estafase asíntica de deformación (formación Herrería, del Cámbrico inferior) constituyen estratos horizontales que forman un ángulo variable con las capas Precámbricas (discordancia angular). Esta discordancia se puede observar en algunos puntos del río Narcea. Posteriormente, la sedimentación es continua hasta el Ordovícico superior-Silúrico inferior (400 millones de años), en que tiene lugar un levantamiento, sin plegamiento. La erosión elimina una parte de las rocas ya depositadas, de edad Ordovícico medio-superior-Silúrico inferior, por lo que, cuando ocurre un nuevo hundimiento en el Silúrico, en la Zona Cantábrica, las pizarras de Formigoso del Silúrico, se colocan directamente sobre la cuarcita de Barrios, del Ordovícico inferior, pero sin que exista diferencia de ángulo de inclinación entre ellas (disconformidad).

Con posterioridad, la sedimentación sigue siendo continua prácticamente durante el Silúrico y Devónico hasta el Frasniense (360 millones de años), en que tiene lugar un nuevo levantamiento y erosión, que elimina gran parte de los sedimentos anteriores en los sectores más orientales (Llanes-Bulnes, Beleño-Ribadesella y Cuenca Carbonífera), de tal forma que las areniscas de la Ermita (Devónico superior), se depositan directamente sobre la cuarcita de Barrios (Ordovícico inferior) y, en algunos puntos, incluso sobre las pizarras y areniscas de Oville (Cámbrico superior). Se trata asimismo en este caso de una disconformidad.

A continuación tiene lugar ya el depósito de los sedimentos Carboníferos en la cordillera Cantábrica. La cuenca sedimentaria se profundiza y diversifica, apareciendo facies diferentes en las distintas regiones, debido al incremento de la actividad tectónica. El primer levantamiento importante ocurre en el Westfaliense B (fase Palentina) (310 millones de años) y da lugar a discordancia angular en la Zona Palentina, fuera de Asturias, al Sur de los Picos de Europa, mientras que dentro de la Zona Cantábrica, sólo da lugar a disconformidades. Lo mismo ocurre con los movimientos que tienen lugar en el Westfaliense D superior (fase Leónica), que dan discordancias sólo en la provincia de León. La primera discordancia angular importante en Asturias ocurre en el Estefaniense B, sobre todo en la Zona Astur Occidental Leonesa y en el extremo occidental de la Zona Cantábrica, en que los sedimentos Estefanienses discordantes contienen capas de carbón que son objeto de activa explotación en la actualidad. Sin embargo, más al Este no está tan clara esta discordancia, aunque en los sectores de Beleño-Ribadesella y Llanes-Bulnes existen sedimentos marinos de esta edad disconformes sobre el Carbonífero más antiguo, siendo la primera discordancia importante de carácter angular, de edad Pérmico inferior, ya que los sedimentos de esta edad se apoyan con un ángulo muy fuerte sobre estratos del Estefaniense inferior. Por todo ello, se puede deducir que las etapas de deformación (que constituyen la orogénesis) Hercinianas, suceden en la cordillera Cantábrica durante el Carbonífero superior (entre el Westfaliense B y el Estefaniense superior) y antes del Pérmico inferior (Autuniense).

La sucesión post-Herciniana incluye los sedimentos depositados desde el Pérmico inferior hasta el Oligoceno (desde hace 290 hasta hace 30 millones de años), ya que son deformados por la orogénesis Alpina, en el Oligoceno. La tectónica influye nuevamente en sus características, ya que se producen importantes fallas de dirección dominante Noreste-Suroeste y Noroeste-Sureste, que hacen subir o bajar a grandes bloques de la corteza terrestre mientras ocurre la sedimentación. Primero se deposita una sucesión de carácter litoral, con abundantes rocas volcánicas, que se conoce como formación Viñón, en el Pérmico inferior (Autuniense). Después, vuelven a moverse las fracturas Noreste-Suroeste y Noroeste-Sureste formadas en el Pérmico inferior y la erosión elimina a estos sedimentos de las partes elevadas, conservándolos sólo en zonas deprimidas. Comienza entonces a predominar un clima semiárido y cálido, que da lugar al depósito de conglomerados, arcillas y areniscas de color rojo, con capas de dolomías, caliches y evaporitas (formación Villaviciosa), de edad Pérmico superior.

Al final del Pérmico, la región asturiana se mantiene emergida y casi no se depositan sedimentos de edad Triásica, o se depositan y son posteriormente erosionados, ya que el Jurásico (210 millones de años) descansa en disconformidad sobre el Pérmico. Estos sedimentos Jurásicos son de carácter marino, formados por calizas, arcillas, areniscas y conglomerados, estos últimos ya de depósito subaéreo, que indican una nueva elevación. El Cretácico superior vuelve a depositarse con disconformidad sobre el Jurásico (110 millones de años), o bien sobre el Pérmico o directamente sobre el basamento Paleozoico plegado, según haya sido el juego de los diferentes bloques limitados por fallas que se movieron entre el Jurásico y el Cretácico superior.

A partir de entonces, hay sedimentación casi continua hasta el Oligoceno, con depósito de calizas, arcillas y arenas alternantes de facies marina de poca profundidad. Los últimos sedimentos del Terciario son unos conglomerados de matriz arcillosa rojiza (pudinga de Posada), discordantes sobre el resto y que se originan simultáneamente y con posterioridad a la orogénesis Alpina. Sobre ellos sólo existen depósitos Cuaternarios de diversos orígenes, aunque la mayor parte subiéremos.

Después de la orogénesis Alpina, ya se puede hablar de la configuración del relieve en la cordillera Cantábrica, que dará lugar al actual. Con anterioridad, la cordillera había estado sumergida la mayor parte del tiempo, con excepción del Carbonífero superior, Pérmico y Triásico, pero los relieves existentes en estas épocas fueron totalmente desmantelados y se había formado una penillanura que fue sumergida en el Jurásico de nuevo bajo el mar.

El papel de la orogénesis Alpina en Asturias fue variable. En la parte oriental sus efectos fueron muy patentes, mientras que en la occidental es difícil su apreciación. En la vecina provincia de Santander, se observa la existencia en la cobertera post-Herciniana de pliegues amplios de dirección axial Este-Oeste. Hacia el Oeste, estos pliegues están rotos por fracturas existentes en los núcleos anticlinales y estas fracturas afectan al basamento Paleozoico, tratándose de fallas inversas de alto ángulo que producen el cabalgamiento de las rocas Paleozoicas sobre los sedimentos post-Hercinianos en los entrantes de Colombres y Panes. Dichas fracturas se prolongan hasta el meridiano de Grado, produciendo basculamientos de bloques hacia el Norte, como habíamos visto que ocurre en el bloque del monte Naranco e influyendo por tanto notablemente en la configuración posterior del relieve, sobre todo en Asturias oriental. Sin embargo, la actividad de estas fallas a finales del Terciario y en el Cuaternario debió de ser prácticamente nula, como parece deducirse de la semejanza de altitud en las superficies situadas a uno y otro lado de las mismas. Con posterioridad a la orogénesis Alpina, la cordillera Cantábrica comienza a elevarse hasta altitudes superiores a las actuales, que no pueden establecerse con exactitud por no haber niveles de referencia en que se pueda confiar.

Esta elevación se efectuó en varias etapas, como parece deducirse de las diferentes superficies de erosión que se encuentran en la cordillera Cantábrica a diferentes altitudes. La superficie más antigua conservada es la de 2.000 m. a que nos habíamos referido, que se conserva en el macizo de Ubiña y partes de los Picos de Europa, aunque pudieran existir restos de otra más alta a los 2.500 m. en los Picos de Europa. Esta superficie se encuentra restringida a la divisoria hidrográfica, lo que hace pensar que no estuviera muy extendida. El siguiente episodio de erosión, que finaliza en la formación de una superficie que ahora se encuentra a 1.700 m., afecta a un área más extensa, encontrándose restos de la misma en peña Sobia y en la sierra del Aramo. Una nueva pulsación que eleva a la anterior, da lugar a la formación de la superficie de 1.200 metros que llega ya hasta la costa del mar Cantábrico, conservada en el Sueve, sierra de Cuera y en numerosos puntos del Occidente asturiano. Esta superficie es nuevamente elevada y comienza el ciclo erosivo que dará lugar a una nueva superficie, situada entre 700 y 800 metros, que se conserva en la cima del monte Naranco, alto de la Espina, etc., y que tanto desarrollo alcanza al Sur de la divisoria hidrográfica.

Aunque de las anteriores superficies poco se puede decir sobre su origen, ya que han sido severamente afectadas por la erosión posterior, acerca de esta superficie de 700 m. sí que podemos afirmar que fue esculpida en un clima semiárido por un proceso análogo a la «pedimentación» que da lugar a la morfología de tipo «bolsón». Las lluvias escasas y torrenciales darían lugar a grandes avenidas que arrasarían las vertientes, haciéndolas retroceder paralelamente a sí mismas, hasta dejar empinadas crestas que separarían zonas planas endorreicas con lagos efímeros en su centro. En este relieve, las crestas tendrían una dirección Nornordeste-Sursuroeste, condicionada por la litología, ya que se trata de cuarcitas armoricanas, de gran resistencia a la erosión, así como por la estructura, con pliegues y cabalgamientos de la misma dirección.

Ya dentro del Cuaternario, el clima cambia a húmedo-templado antes de que sobrevengan los importantes avances de los hielos polares en el Günz, Mindel, Riss y Würm. La cordillera es basculada hacia el Norte a la vez que se eleva, estableciéndose una red hidrográfica rectilínea, esencialmente paralela a las crestas y encajada en fracturas de edad Pérmica de dirección predominante Noreste-Suroeste y que empieza a excavar los terrenos más blandos. Se forma así una red paralelepipédica (treellis) incipiente, con los cursos principales de dirección Nordeste y afluentes perpendiculares hacia el Sureste o Noroeste. Estas direcciones se conservan aún en algunos tramos de ríos principales, como cabecera del Narcea, río Arganza, Agüeira, río de Oro, y en afluentes como Llantero, Uncín, Sangreña, Braña, longa, Nonaya, Camuño, Nisón, Comba, Pigüeña, Lloredo, Couto, Carondio, Ferreira, San Martín, Suarón, Meiro, Barayo, etc.

Sin embargo, al elevarse y bascular la superficie de 700 m., los ríos profundizan rápidamente y las irregularidades de la litología y de la estructura condicionan el desarrollo de la red hidrográfica, que comienza a desviarse de las primitivas orientaciones.

Otra pulsación da lugar a la formación de una superficie, situada ahora sobre los 300 m. de altura y que se conserva en la franja costera (monte Areo, Llano Roñanzas) y en la Depresión Longitudinal. En esta superficie se encuentran ya meandrificando algunos ríos en su curso inferior, como Navia, Esva, Narcea, Nora, Sella, etc. hallándose ya la red hidrográfica prácticamente igual que en la actualidad, con un elevado grado de adaptación a la estructura, como se observa en la mayor parte de los dominios descritos. Es entonces cuando tienen lugar las invasiones del hielo, que afectan sobre todo a las partes más elevadas, cercanas a la divisoria hidrográfica, excavando los valles en forma de "U" visibles sobre todo en los macizos de Degaña y Allande, profundizando las depresiones cársticas en los Picos de Europa y formando los «jous» .

Algo después tienen lugar las últimas pulsaciones que elevan las «rasas» o superficies de erosión marina, formados sólo hace unos miles de años y que tanto desarrollo tienen en el Oriente asturiano.