端砚石属沉积岩，它的原始母岩形成于4亿年前泥盆纪中期。当时肇庆一带以西是海洋，当时大量沉积物聚集在这一地带，古陆风化剥蚀下来的大量泥砂被河水带到滨海岸停下来，按比重和粒级的大小依次堆积成层，从端砚石的原始物质聚集到变成可以制作端砚的端砚石矿，经历了4个阶段。
物质聚集阶段
紫（绿）砚石的原始物质来源于肇庆东南的古陆。风化剥蚀作用将古陆岩石分解成为碎屑物和金属离子，部分矿物如白云母等被水溶解成为胶体，雨水将这些物质搬运到河口三角洲和滨岸，其中呈胶状的泥质则聚集在潮坪区，并与混入胶泥中的少量石英碎屑，有机质及其它铁、镁、钙、硫等元素沉积下来，这就是紫（绿）砚石的母岩物质聚集阶；
深埋成岩阶段
地壳不断地在运动、升降，经过数次反复的物质集后，到了泥盆纪晚期，大约距今3.6亿年上下，肇庆这个地方开始变成浅海，后又经历石炭纪、二叠纪、三叠纪等地质时代的不间断连续下降沉积，中间约经历了1.7亿年，主要沉积物有碳酸盐类、砂，（）等，这时紫（绿）砚石母岩深深地被埋在地下，总厚度达3000--5000米，深埋地下的砚石母岩，初始时，环境温度不高，压力不大，沉积物内的厌氧细菌使有机质腐烂分解，产生H2S、CH4、NH3、CO2等气体，将变价金属元素的高价氧化物还原成低价硫化物，如高价铁（Fe3+）被还原成低价铁（Fe2+），胶泥脱水变成软泥，水的矿化度增高，介质使酸性氧化环境转变为碱性还原环境，在此情况下，胶泥中的物质重新进行分配组合，再经压缩结晶，生成水白云母和白云石等矿物，最终固结为含铁或含铁含砂的水白云母型泥质岩以及以白云石为主的泥质白云岩（绿端石）。 第一、二阶段形成的砚石石品花纹有青花、石眼（原型）、火捺（原型）、天青、鹧鸪斑、黄龙、翡翠纹、彩带、虫蛀（原型）、金星点、同心纹、五彩钉等。
褶皱隆起变质阶段
地质学上所称的变质作用,指的是地壳中的岩石由于受到地壳构造运动,岩浆活动或地壳内热液充填及交代等内动力的影响,以致它们的矿物成分和结构构造（有时甚至还有化学成分）发生了不同程度的变化，这些变化统称为变质作用。肇庆这个位置在距今约2.31亿年的时候，海水退出成为陆地，深埋地下的泥盆纪等地层亦开始上升，并发生断裂。距今约1.44亿年的一次强烈地壳运动（地质学称燕山运动），将泥盆纪等地层褶皱隆起成山，还有深部的岩浆往上涌，使地壳受到强烈挤压，较软的岩石产生劈理、矿物重结晶，如水白云母重结晶为绢云母，含矿物质的岩浆汽水热液沿已破碎的岩石裂隙充填，形成细脉。 这个阶段形成的砚石花纹有蕉叶白、冻、冰纹、冰纹冻、银线、玉带、玉点等。
表生成岩阶段
表生成岩（矿）作用，地质学又称“退后生作用”，是紫（绿）砚石形成的重要阶段，指沉积岩层被地壳运动抬升至地壳表层后，在潜水层层面以上发生的胶结交代，以及其些物质再重新聚集的作用阶段。水的作用和强氧化环境使砚石发生变化，低价铁矿物大部分转为高价铁矿物，如菱铁矿、黄铁矿绿泥石转变为褐铁矿、赤铁矿，钛变为白钛石等，并形成新的砚石花纹，如鸲鹆眼、鸡眼、石皮、金线、铁线、玫瑰紫、铁捺、油涎光、虫蛀、朱砂钉以及绿端石中的木纹、山水纹、水草纹等。
