Das Mittelgebirge des Sauer- und des Siegerlandes (im Süden bis über 800 m hoch) ist die älteste tektonische Einheit in Westfalen. Es gehört zum Rheinischen Schiefergebirge (Abb. 1), zu dem in Nordrhein-Westfalen auch das Bergische Land und die Eifel zählen. Nördlich der Ruhr erstreckt sich das Schiefergebirge noch weit unter das Münsterland.

Entstanden ist dieses Schiefergebirge als ein Faltengebirge im Zuge der sog. variskischen Gebirgsbildung gegen Ende des Erdaltertums. Damals (zur Devon-Zeit, s. Tab. 1) trennte im heutigen Mitteleuropa ein breiter Meeresarm den Urkontinent Laurentia, einschl. Baltica (Ur-Europa), im Norden von dem von Süden herandriftenden Avalonia-Kontinent. In dem sich langsam eintiefenden Meeresarm kam es zur Ablagerung insgesamt mehrere 1.000 Meter mächtiger Schichten von Tonen, Schluffen (Grobtonen), Sanden und Kalken sowie zur Ausbildung großer Korallenriffe, die sich als sog. Massenkalk im heutigen Sauerland wiederfinden.

In der jüngeren Karbon-Zeit, vor etwa 330–300 Mio. Jahren, erfolgten im Verlauf der Annäherung von Laurentia und Avalonia eine Verengung des Meeresarmes und eine Zusammenschiebung (z. T. auch Überschiebung) der inzwischen zu Gesteinen verfestigten Meeresablagerungen zu Faltensätteln (Aufwölbungen) und Faltenmulden (s. Abb. 1) sowie deren Heraushebung weit über den Meeresspiegel ("Alpen des Karbons"). Die Faltenformen sowie die Schieferung der tonigen/schluffigen Gesteine unter hohem Druck zu Tonschiefern aus dünnen Platten wurden kennzeichnend und namengebend für das Rheinische Schiefergebirge, das wiederum ein Teilgebiet des ehemaligen Variskischen Gebirges von der iberischen Halbinsel über Zentralfrankreich, Südwestengland und Mitteldeutschland bis nach Ostböhmen ist.

Bereits in der unmittelbar nachkarbonischen Perm-Zeit wurde das Rheinische Schiefergebirge durch Abtragung zu einem Rumpfgebirge eingeebnet. Ab der Wende Kreide/Tertiär setzte jedoch in mehreren Phasen eine neuerliche, treppenförmige Hebung des Gebirgsblockes ein mit einer Abstufung von Süden (Rothaargebirge) nach Norden. Seither modellierte die ausfurchende Tätigkeit des fließenden Wassers aus dem Gebirgsblock die reizvollen Mittelgebirgslandschaften mit tief eingeschnittenen Tälern heraus, für die Südwestfalen heute bekannt ist ("Land der 1.000 Berge").

Im Osten Westfalens erstreckt sich zwischen Ems und Weser das Weserbergland (bis 496 m), dessen Grenzen im Westen der Teutoburger Wald und das Eggegebirge, im Norden das Wiehengebirge sowie im Osten und Süden die Talzüge der Weser bzw. Diemel bilden. Aufgebaut wird das Weserbergland hauptsächlich von Gesteinen der Trias- und der Jura-Zeit, die im Unterschied zum Grundgebirge des Erdaltertums (s. Sauer- und Siegerland) zum jüngeren Deckgebirge zählen.

Die Baugeschichte des Berglandes begann vor etwa 170–160 Mio. Jahren in der Jura-Zeit mit der tieferen Absenkung des sog. Niedersächsischen Beckens im Gebiet des heutigen Weserberglandes infolge horizontaler Zerrungsvorgänge in der Erdkruste. Zur Oberkreide-Zeit vor/ab ca. 90 Mio. Jahren setzte dann eine Inversion (Bewegungsumkehr) ein, durch die die Gesteine des Beckeninhalts emporgepresst und über den Meeresspiegel zu einer Landschwelle ("Nordwestfälisch-Lippische Schwelle", s. Abb. 1) herausgehoben wurden. Dabei kam es in den Randzonen zu besonders intensiven Vertikalbewegungen, von denen heute die lang gestreckten, markanten Höhenrücken des Teutoburger Waldes, Egge- und Wiehengebirges zeugen.

Die Inversion stand im Zusammenhang mit der Kollision zwischen der Afrikanischen Platte (Ausschnitt aus der Erdkruste) und der Eurasischen Platte, mit der die Alpen-Auffaltung begann und ein erheblicher horizontaler Druck auf die Erdkruste Mitteleuropas bis weit nach Norden einsetzte. Durch die Pressungs- und Dehnungsbelastungen als Folge dieser tektonischen Fernwirkung unterlagen die Gesteinsschichten im Bereich der Landschwelle im Osten Westfalens nicht nur Aufwölbungen und Einmuldungen (s. Abb. 1), sondern auch einem Zerbrechen zu einem Mosaik aus zahlreichen hochgedrückten oder abgesunkenen Gesteinsschollen. Das daraus resultierende und später durch Verwitterung und Abtragung sowie Überfahrung durch Gletscher (Saale-Eiszeit vor ca. 250.000–200.000 Jahren) weiter ausgestaltete Relief des sog. Bruchschollengebirges (auch als Bruchfaltengebirge bezeichnet) prägt heute das ansprechende, abwechslungsreiche Bild des Weserberglandes.

Gleichzeitig mit der Entwicklung der Landschwelle stiegen an mehreren Stellen vermutlich glutflüssige Gesteinsschmelzen bis auf etwa acht Kilometer unter die Erdoberfläche auf, was zu einer Aufheizung des Deckgebirges führte. Dafür sprechen u.a. die Kohlesäure- und Thermalquellen im Weserbergland und der sehr hohe Kohlenstoffgehalt der karbonzeitlichen Steinkohle bei Ibbenbüren. Die Steinkohle, die im Ruhrgebiet zutage tritt und nach Norden tief abtaucht, wurde im nordwestlichen Weserbergland herausgehoben (um ca. 2.000 m) und kommt im sog. Ibbenbürener Karbon-Horst noch einmal an die Erdoberfläche (Abb. 1: dunkelgrün).