A Hévízi-tó vize, mintegy 20-22 ezer éve tört fel mai helyén, a Balaton kialakulásával egy időben. Az előtörő meleg víz először a Balatonba ömlött. Klímaváltozások hatására a Balaton vízszintje lesüllyedt. Az egykori tómederben az ott élő buja növényzet elhalt réseiből tőzegláp keletkezett. A Hévízi-völgy lápos, tőzeges, sík felszíne a tótól keletre kb. 1-1,5 km szélességben, a völgy keleti oldalán levő Dobogóig és a völgyet keletről határoló cserszegtomaji dombvonulatig terjed. Dél felé a tőzeges terület a Zala medréig húzódik, északon a Gyöngyösi csárda fölé nyúlik.

A földtörténeti középkor elején, a triász időszakban (kb. 200 millió éve) kristálytiszta tengervíz borította a környéket, a mai Dunántúli-középhegység helyét is. Ebből a tengerből Hévíz környékén hófehér dolomit, valamint másodlagosan mészkő rakódott le. Még a Föld középkorában, a jura- és kréta korban (kb. 180-70 millió éve) a tenger visszahúzódott a vidékről. A mai Bakony hegység területén a kréta kor végén és a harmadidőszak első korában, a paleocénben, trópusi környezetben bauxittelepek képződtek, majd felszíni hatásra áthalmozódtak. Ugyanezek az erők a felszín puhább rétegeit kikezdték, helyenként lepusztították. Megkezdődött a mészkövek, dolomitok karsztosodása.

A harmadidőszakban Hévíz közvetlen környékén a paleocént követő eocén, oligocén és miocén kor sem hagyott hátra rétegeket, a vidék továbbra is szárazulat maradt. A korszak utolsó időszaka a pliocén viszont nagyon mozgalmas volt.

Mintegy 10-12 millió évvel ezelőtt délkelet felől, a Kárpát-medence területére a Ponthusi-tenger sekély öble nyúlt. A közben kiemelkedő Kárpátok láncolata az öblöt elzárta: beltenger keletkezett. A beömlő folyók gyorsan édesvizűvé változtatták a tavat. Így alakult ki a Ponthusi-tengerből az édesvizű Pannon-tenger. Ebből a sekély vizű tóból akkoriban a Vértes, a Pilis, a Mecsek és a Bakony magasabb részei szigetként emelkedtek ki. A süllyedő tengerfenékre az évmilliók folyamán több száz méter vastag homok- és agyagréteg rakódott le, majd a tenger vize lassan eltűnt. A tengeréről elnevezett Pannon-időszak végén vulkánok törték meg a Dunántúl arculatát. A későbbi Balaton északi partján, és a délin - Fonyódon és Bogláron - bazaltláva ömlött a Pannon-tengeri rétegekre.

A pliocén korszak végén, a pleisztocén elején (kb. 2-4 millió éve) a szél és a vízfolyások délnek hordták a pannon rétegek anyagának nagy részét. A vulkáni utóműködések első jele volt a hőforrások, így az úgynevezett Őshévíz feltörése. A pleisztocén kor közepén a földkéreg mozgása, beszakadása folytán két árokrendszer keletkezett. Ezekben gyűlt össze a csapadék: kialakult a Balaton, mintegy 22 ezer évvel ezelőtt. Ekkor kezdődik a Hévízi-tó története is. Több bizonyíték szól amellett, hogy a Hévízi-tó termálvize a geológiai múltban nem a mai szinten fakadt, hanem ennél jóval magasabban.
Az Őshévíz első feltörési helye a rezi vár közelében, a Meleghegyen, 427 m magasságban volt. A Keszthelyi-hegység triász rögét nyugatról határoló lépcsős törésvonalon az elmúlt 2 millió évben fokozatosan szállt alá a meleg vizű forrás mindig alacsonyabbra és mindig délnyugatabbra. Az Őshévíz második feltörési helye a cserszegtomaji Anna-kápolnánál volt (182 m). A feltörő triász kori rétegben mozgó karsztvíz a pannon rétegek vizével keveredve alakította ki a cserszegtomaji hévizes barlangot. A feltételezések szerint a feltörési szint süllyedésének egyik oka a Keszthelyi-hegység emelkedése, a másik a Hévíz-völgy süllyedése volt. Az ópleisztocénban (kb. 1-2 millió éve) a Biked-hegyre (181 m), a mai Hévíztől alig 3 km-re vándorolt át az Őshévíz, a közép-pleisztocénban a mai fürdőteleptől keletre 1,5 km-re fekvő Dobogó-dombon jelent meg (145 m).