ים טתיס מילא תפקיד משמעותי בתולדות הגאולוגיה של ארץ ישראל: בעבר שכנה ארץ ישראל במעמקי ים זה, וגם לאחר שנחשפה, הים שטף את האזור ונסוג מספר פעמים בעידנים שונים. כתוצאה מכך נוצרו שכבות של חול וגיר זו מעל זו. מבנים שכבתיים אלו מאפשרים היווצרות מכתשי סחיפה כגון מכתשי הנגב: מכתש רמון, המכתש הקטן, המכתש הגדול ועוד. עדויות להימצאותה של ארץ ישראל מתחת לים טתיס מתבטאת בגילוי של מאובנים ימיים באזור במספר מקומות כדוגמת הנגב (בעיקר במכתשים) והרי נפתלי באזור מצוק רמים.