三水盆地是发育在华南微板块上的一个白垩纪－－早第三纪断坳盆地，是广东珠江三角洲地区中新生化残留盆地群中的一个典型代表，盆地内部的构造变形。

三水盆地以张性正断层为主，断裂数量多但规模小，它们决定了盆地构造变形样式的基本特征，对沉积的控制却不明显。

三水盆地实际上是一个很大的范畴：它位于珠江三角洲西北部，北至广东清远，南至南海九江，西至高要广利，东至广州黄埔港。它是广东地质学研究中知名度和资料最丰富的两大型红色盆地之一。三水盆地形成于1.3亿年至4000万年前，最早是一片广域的河流，经过剧烈的地质运动，沉积演化为盆地。

早在1868年，德国人李希霍芬赴华考察，首次在三水河口北江边采获植物化石，此后国内外地质学家纷纷踏足三水，地学研究在20世纪70年代达到鼎盛，三水盆地频现国内外地学著作，前来参观考察的地质、古生物学者和学术团体如云，一系列专题研究成果也经常被作为典型地区引用与对比。有学者认为，三水盆地在地学研究上可和世界几个著名裂谷相类比。

1979年，一些叉齿兽下颌骨、上臼齿、椎骨和肋骨化石曾在佛山南海新村水库附近发现。

2012年10月，化石富矿三水盆地发现冠齿兽和恐角兽化石，系广东省第一次发现始新世早期哺乳物化石。 此次共发现30多件动物化石，这些三水盆地新发现的化石至少包括4种哺乳动物和1种龟鳖类，保存较好的哺乳动物有3种：冠齿兽科2种，恐角兽科1种。根据其他地区的研究成果，这些化石的生存时期大致是5200万年至5500万年前，属于地质历史上的始新世早期。

2012年11月，确定2011年在佛山南海狮城中学附近发现的一块哺乳类动物下颌骨化石为奇蹄目动物的化石。该物种大约在距今4800万至5000万年之间生存，在三水盆地乃至广东省尚属首次发现。

2024年5月16日，中国地质大学（北京）邢立达课题组、广东省四会市博物馆、中山大学以及广东中大深地科学研究院等机构的研究人员宣布，学者将广东省三水盆地发现的一批晚白垩世的大型兽脚类恐龙牙齿归入暴龙超科。这是三水盆地大型兽脚类的首次发现，也是中国暴龙类最南端的化石记录。该论文发表于国际地学刊物《白垩纪研究》。三水盆地晚白垩世的恐龙蛋化石记录显示，该区域活跃着伤齿龙类、窃蛋龙类和鸭嘴龙类等恐龙。本次发现的暴龙超科牙齿和它们组成了一个恐龙生物群。

三水盆地化石资源丰富，这里发现的始新世脊椎动物化石群，化石种类十分丰富，几乎包括了脊椎动物各主要类群。这不仅在中国是独一无二的，在世界上也是屈指可数。有专家建议这批国宝级的珍稀化石应该得到有效保护，可在在三水建立自然历史博物馆和地质公园。

随着三水莘庄等地基础设施建设，化石群已受到严重破坏，河口多处遗迹已被辟为鱼塘，有的被辟作工业用地，仅见少量残存地质露头。其中，受到破坏的红岗-石散心区段和河口-莘庄区段，几乎很难找到地质露头，尤其是河口-莘庄区段，过去古生物化石最丰富的地质露头都被工业废料和污水掩埋。

驿岗区段代表着三水盆地晚期（距今6000万年-4000万年之间）的火山喷发活动，其面积为1/4平方公里，规模不及西樵和黎边等山，但属同一时代，虽遭到一定程度的破坏，但锥体保存比较完整，是三水唯一比较完整的小火山。

河口-莘庄区段有很多藏着礁灰岩和油页岩的小山，蕴藏着大量的鱼化石，但现在都快要被夷为平地了。

专家们建议，采取紧急措施保护并合理开发三水盆地地质遗迹，尽快组织专家划出三水盆地地质遗迹重点保护区域，个别区域可采取强制保护措施。鉴于三水盆地是中新生时代半松散沉积岩层的地况，因此重要保护措施是不宜在景观区域内建厂房、民居等建筑物，急需保护的是河口西油页岩采场、铁帽顶、驿岗的自然景观。同时，有必要在地质遗迹附近筹建地学博物馆，进行地学实物标本的收集和整理。

专家们认为，三水有一批人文古迹，可结合这些地质遗迹开发成旅游业，使之集地学考察和旅游为一体，在提高本地知名度的同时，增加经济效益。