Debido a los movimientos de las placas tectónicas, el planeta y la Península de Mejillones están en constante movimiento. Esta se ha convertido en uno de los puntos del norte de Chile con los mayores ritmos de alzamiento, calculado gracias a las edades de las rocas marinas que se han levantado. 

La comunidad científica ha determinado que varias partes de la península se han movido como si fueran bloques independientes con distintas velocidades, pudiendo desplazarse hasta medio milímetro cada año, lo que es bastante para los geólogos, durante los últimos 480.000 años.

El origen de la península aún es objeto de discusión entre los científicos, ya que no es claro. Se dice que tal vez nació por una colisión que sufrieron las rocas de Sudamérica hace más de 480 millones de años atrás, haciendo que estas se transformaran en rocas nuevas debido a la fricción y el calor generado.

Durante el choque de Mejillonia, la arena de la playa de esa época daría lugar a las rocas que forman los puntos más altos de la Península al día de hoy, pero no lo sabríamos si las fallas no hubieran levantado estas rocas hacia la superficie. Además, el choque produjo la formación de montañas más hacia el interior del continente, en un proceso similar a arrugar una alfombra empujando desde el borde hacia adentro.

Según los registros, en el período Jurásico inferior aparecieron rocas plutónicas y volcánicas en la zona. Estos volcanes se formaron porque la subducción causó derretimiento profundo y se creó el Arco Volcánico La Negra, reflejado como una cadena de volcanes que se apagarían para formar la actual Cordillera de la Costa. Tierra adentro, lo que hoy es la depresión intermedia y la cordillera de Domeyko serían un extenso mar que llegaba hasta argentina.

Los últimos 23 millones de años de la Península son la época más conocida. En este tiempo se generaron las principales fallas, las cuales levantaron y hundieron en distintos períodos y etapas los distintos bloques que conforman la Península de Mejillones. El movimiento de las fallas fue levantando los morros, mientras que el resto de la Península formaría distintos mares a lo largo de los años.

La evolución de la línea de la costa aún puede verse en la Península usando fotos aéreas o satelitales, donde se nota cómo el mar fue retrocediendo hasta su nivel actual.