Struktur geologi regional Bali dimulai dengan adanya kegiatan di lautan selama kala Miosen Bawah yang menghasilkan batuan lava bantal dan breksi yang disisipi oleh batu gamping.
Di bagian selatan terjadi pengendapan oleh batu gamping yang kemudian membentuk Formasi Selatan. Di jalur yang berbatasan dengan tepi utaranya terjadi pengendapan sedimen yang lebih halus. Pada akhir kala Pliosen, seluruh daerah pengendapan itu muncul di atas permukaan laut. Bersamaan dengan pengangkatan, terjadi pergeseran yang menyebabkan berbagai bagian tersesarkan satu terhadap yang lainnya. Umumnya sesar ini terbenam oleh bahan batuan organik atau endapan yang lebih muda.
Selama kala Pliosen, di lautan sebelah utara terjadi endapan berupa bahan yang berasal dari endapan yang kemudian menghasilkan Formasi Asah. Di barat laut sebagian dari batuan muncul ke atas permukaan laut. Sementara ini semakin ke barat pengendapan batuan karbonat lebih dominan. Seluruh jalur itu pada akhir Pliosen terangkat dan tersesarkan.
Kegiatan gunungapi lebih banyak terjadi di daratan, yang menghasilkan gunungapi dari barat ke timur. Seiring dengan terjadinya dua kaldera, yaitu mula-mula kaldera Buyan-Bratan dan kemudian kaldera Batur, Pulau Bali masih mengalami gerakan yang menyebabkan pengangkatan di bagian utara. Akibatnya, Formasi Palasari terangkat ke permukaan laut dan Pulau Bali pada umumnya mempunyai penampang Utara-Selatan yang tidak simetris. Bagian selatan lebih landai dari bagian Utara.
Stratigrafi regional berdasarkan Peta Geologi Bali. Geologi Bali tergolong masih muda. Batuan tertua kemungkinan berumur Miosen Tengah.
| Kala Geologi | Formasi |
| Kwarter | Endapan aluvium terutama di sepanjang pantai, tepi Danau Buyan, Bratan, dan Batur |
| Batuan gunung api dari krucut subresen Gunung Pohen, Gunung Sangiang, Gunung Lesung | |
| Lava dari Gunung Pawon | |
| Batuan dari gunung api Gunung Batukaru | |
| Batuan gunung api Gunung Agung | |
| Batuan gunung api Gunung Batur | |
| Tufa dari endapan lahar Buyan-Bratan dan Batur | |
| Kwarter Bawah | Formasi Palasari: konglomerat, batu pasir, batu gamping terumbu |
| Batuan gunung api Gunung Sraya Batuan gunung api Buyan-Bratan Purba dan Batur Purba | |
| Batuan gunung api Jembrana: lava, breksi, dan tufa dari Gunung Klatakan, Gunung Merbuk, Gunung Patas, dan batuan yang tergabung | |
| Pliosen | Formasi Asah: lava, breksi, tufa batuapung, dengan isian rekahan bersifat gampingan |
| Formasi Prapat Agung: batu gamping, batu pasir gampingan, napal | |
| Batuan gunung api Pulaki: lava dan breksi | |
| Miosen-Pliosen | Formasi Selatan: terutama batugamping |
| Miosen Tengah-Atas | Formasi Sorga: tufa, napal, batu pasir |
| Miosen Bawah-Atas | Formasi Ulukan: breksi gunung api, lava, tufa dengan sisipan batuan gampingan |