まだ日本列島が大陸の一部だった約１億年前、当時の海洋プレート（イザナギプレート）が大陸に対して斜めに沈み込んでいたため、ひずみがたまって大陸プレートの中に大きな断層（北北東-南南西方向）が生じました。これが中央構造線の原型となります。

約2000万～1500万年前、地殻変動にともない日本海が形成されると、大陸から分離した日本列島が回転しながら南下、中央構造線の向きは東西方向になりました。同じ頃、フィリピン海プレートが北上してきて伊豆・小笠原弧と衝突しました。中央構造線が長野県付近で大きく湾曲しているのは、この衝突によるものです。

中央構造線の北側（日本海側）を内帯（ないたい）、南側（太平洋側）を外帯（がいたい）と呼びます。線に沿って形成年代やメカニズムがまったく異なるふたつの地層が隣り合っており、地質を二分する「地質の境目」にもなっています。

内帯側には白亜紀中期（約1億～7000万年前）に、大陸プレートに付加（ふか）した（くっついた）海洋プレートが大陸プレートの下へ沈み込み、熱と圧力で再結晶した高温低圧型の広域変成岩と、そこに貫入した花崗岩からなる岩体が中央構造線に沿って続いています。これを領家変成帯（りょうけへんせいたい）といいます。なお、中央構造線近傍の領家変成岩類は断層運動による力を受け、マイロナイト（大鹿村の地名を冠して鹿塩（かしお）マイロナイトとも呼びます）という岩石に変化しています。

他方の外帯側には、白亜紀後期（約9000万～6000万年前）にできた低温高圧型の三波川（さんばがわ）変成帯が、幅30㎞、東西800㎞にわたって帯状に分布しています。

領家帯と三波川帯は、ともに地下15～40㎞という地中深いところにありましたが、現在は地表に現れています。

そして、長野県内では国道152号沿いを中心に、領家変成帯と三波川変成帯が隣り合う様子が目で見てとれる露頭がいくつもあります。代表的なのものに板山露頭、溝口露頭、北川露頭、安康（あんこう）露頭、程野（ほどの）露頭があります。

大鹿村には小渋川の河岸、中央構造線のほぼ真上に建つ大鹿村中央構造線博物館があり、中央構造線についてよりくわしく学ぶことができます。

中央構造線が直接見られる場所として、長野県内には伊那市の板山・溝口露頭、大鹿村の北川・安康露頭、飯田市の程野露頭などがあります。分杭峠は伊那市と大鹿村の境にある国道152号（秋葉街道）の峠です。

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