Des d’un punt de vista geològic, els Pirineus corresponen a l’orogen que s’ha desenvolupat al llarg de la zona de contacte entre les plaques ibèrica i eurasiàtica. En aquest sentit són molt més extensos que la serralada ístmica. La seva llargada supera els 1500 km i s’estén des de la Provença, a tocar dels Alps, a l’E, fins més enllà de Galícia, al llarg de la plataforma cantàbrica, a l’W. Les estructures pirinenques més occidentals es troben al mig de l’oceà Atlàntic, on queden esborrades per l’escorça oceànica jove, posterior a l’edificació de la serralada pirinenca, generada a la dorsal atlàntica.
La formació de la serralada pirinenca està estretament lligada a la cinemàtica de la placa ibèrica, que depèn en gran part del moviment de les grans plaques veïnes, les plaques africana i eurasiàtica. Les característiques dels diferents sectors de l’orogen pirinenc són el resultat de l’evolució del límit de les plaques esmentades durant els temps mesozoics i cenozoics.
El coneixement de la posició exacta de les plaques a ambdós costats de l’orogen pirinenc, al llarg del temps, pot subministrar dades suficients per conèixer l’evolució tectònica del domini pirinenc, el grau de separació i d’estirament abans de la convergència com també el grau d’escurçament relacionat amb la col·lisió i formació de la serralada. El moviment de la placa ibèrica durant el Mesozoic i el Cenozoic es pot determinar a partir del traçat dels pols paleomagnètics observats en roques de diferents edats i a partir de la reconstrucció de les anomalies magnètiques enregistrades a l’escorça oceànica de l’Atlàntic septentrional i central. Malauradament, les dades paleomagnètiques són encara poc nombroses a la península Ibèrica i el mètode de la deriva del pol paleomagnètic per si sol no pot precisar l’evolució cinemàtica de la placa ibèrica. Els diferents models proposats per a aquesta evolució s’han basat en la distribució de les anomalies magnètiques a l’oceà Atlàntic i en el càlcul dels pols de rotació durant l’obertura de l’oceà.
A grans trets, es pot determinar que durant el Mesozoic, sincrònicament als processos d’obertura de l’Atlàntic, la placa ibèrica tendí a separar-se de l’eurasiàtica, tot lliscant cap al SE i girant en el sentit contrari de les busques d’un rellotge. Com a conseqüència d’aquest fet, a la zona de contacte entre les plaques ibèrica i eurasiàtica, tingué lloc un aprimament de la litosfera. A la part més occidental, és a dir, a la part corresponent al golf de Biscaia, aquest procés conduí a la ruptura de l’escorça continental i a la formació progressiva d’una nova escorça oceànica. A l’E del golf de Biscaia (i, per tant, als Pirineus ístmics) no s’arribà a aquest extrem, tot i que la litosfera s’aprimà, fet que originà la formació de conques sedimentàries.
La majoria de les reconstruccions de la placa ibèrica realitzades fins ara tracten del grau de rotació i del desplaçament sinistre d’Ibèria respecte a Europa durant el Cretaci, però en molt pocs models s’analitza en detall la separació exacta entre les dues plaques abans de la seva convergència en el Cretaci superior. La placa ibèrica va girar en sentit antihorari durant el Cretaci inferior. Estudis paleomagnètics recents demostren que la major part d’aquesta rotació va tenir lloc entre l’Hauterivià i l’Aptià, sincrònicament a una etapa d’extensió o de «rifting» al golf de Biscaia i la zona pirinenca. Una rotació menys important va tenir lloc a continuació, entre l’Albià superior i el Campanià, al mateix temps que es produïa el desplaçament antihorari d’Ibèria en un règim transtensional. Sincrònicament, al golf de Biscaia, es generava l’escorça oceànica.
Més tard, en el Cretaci superior, les plaques africana i europea s’aproximaren i la placa ibèrica es veié comprimida entre totes dues. A la zona pirinenca, amb la litosfera més prima i afectada per les fractures que havien estat actives durant l’etapa mesozoica de separació i aprimament, es concentraren les deformacions. Al sector meridional del golf de Biscaia, la litosfera oceànica subduí, això és, s’enfonsà sota la litosfera continental de la placa ibèrica; en canvi, als Pirineus ístmics fou la placa ibèrica la que subduí per sota de l’eurasiàtica, en aquest sector ambdues de caràcter continental.
La convergència entre les plaques ibèrica i europea es produí entre el Campanià i el Miocè inferior, i donà lloc al tancament parcial del golf de Biscaia al llarg d’una zona de subducció al N de la plataforma cantàbrica, i a la col·lisió continental a la serralada pirinenca ístmica. La posició d’Ibèria respecte d’Europa abans de la convergència no es coneix amb exactitud. Malgrat tot, s’ha proposat que hi havia una separació entre les dues plaques superior al centenar de quilòmetres, que podia ésser fins i tot de 200 km. Durant pràcticament tot el període de convergència, fins a l’Oligocè superior, i probablement des del començament de l’etapa de «rifting» fins al Cretaci inferior (Hauterivià), Ibèria va romandre enganxada a la placa africana, de la qual formava part. Així, doncs, l’orogen pirinenc representa el límit entre les plaques africana i europea i, per tant, la seva sutura, entre el Cretaci superior i l’Oligocè superior. A les acaballes de la formació de la serralada pirinenca es produeix la soldadura entre la placa africano-ibèrica i l’europea. Com que la tendència a convergir entre les dues plaques continuava, les deformacions i els processos orogènics es traslladaren més al S, fins a trobar altres zones febles: la Serralada Ibèrica més al S i fonamentalment el sector de la Serralada Bètica, amb una escorça fortament aprimada durant el Mesozoic. El límit entre les plaques africana i eurasiàtica (incloent-hi Ibèria) se situà a la serralada bètica des de l’Oligocè superior, un cop els Pirineus ja estaven pràcticament formats del tot.