塔里木盆地是塔里木板块的核心稳定部分，是在太古宇、元古宇基底上，由古生界克拉通地台沉积和中新生界前陆盆地沉积两大构造层叠合而成。现今的塔里木盆地是晚二叠世开始形成的、以周边山系为边界的中新生代盆地。其边界超壳断裂控制了盆地的构造演化。前震旦纪末的塔里木运动结束了塔里木盆地基底的拼合过程，形成统一的、陆壳基底的古塔里木板块。古克拉通又经历了震旦～奥陶纪克拉通边缘坳拉槽、志留～石炭纪克拉通内坳陷、二叠纪克拉通内裂谷盆地、三叠纪前陆盆地、侏罗～老第三纪陆内坳陷以及新第三纪及第四纪复合前陆盆地等六阶段构造演化。根据构造演化特征，可划分出塔北隆起、塔中隆起、塔南隆起及库车坳陷、北部坳陷、西南坳陷、东南坳陷等三隆四坳7个一级构造单元和22个二级单元（图2-1）。塔北隆起包括轮台凸起、库尔勒鼻隆、草湖凹陷、轮南低凸、哈拉哈塘凹陷、南喀-英买力低凸起。塔中隆起可细分为塔中低凸起、塔东低凸起、巴楚凸起。
塔里木盆地构造运动频繁，所发现的地层不整合界线达18个，其中区域上大地层不整合接触界线（图2-2）尤为重要。塔里木运动造成震旦系与前震旦系的不整合接触。志留系与奥陶系及下伏地层的不整合，造成塔中中央断垒带东部及塔北隆起等地缺失中上奥陶统，代表奥陶纪末的加里东晚期运动。泥盆纪末的早期海西运动造成石炭系与泥盆系及下伏地层的不整合。塔北隆起，仅在哈拉哈塘凹陷发育泥盆系—志留系，其它地区缺失。这期构造运动对流体运聚具有较大的影响。晚期海西运动使得三叠系—上二叠统与下伏地层不整合接触。侏罗系与三叠系及下伏地层的不整合是三叠纪末印支运动的结果。印支运动使塔北隆起的轮台凸起、库尔勒鼻隆、哈拉哈塘凹陷西北部东河塘地区、南喀-英买力低凸起三叠系剥失殆尽。牙哈地区侏罗系与寒武—奥陶系直接接触，孔雀河斜坡（库南1井）侏罗系与下伏下三叠统不整合接触。但在草湖凹陷（如草2井）、轮南低凸（轮南3井）、哈拉哈塘凹陷（如哈1井）均为假整合与整合接触。白垩纪末的晚期燕山运动引起第三系与白垩系及下伏地层的不整合。
寒武—奥陶纪时，塔里木盆地主要为台地、斜坡、广海陆棚及半深海相碳酸盐岩沉积，在满加尔坳陷沉积一套浊积岩相深灰色泥岩，盆地西部为滨海相灰岩及钙质泥岩。晚奥陶世末发生海退，出现潮坪沉积。之后海水几乎全部退出塔里木盆地。志留纪早期盆地开始下沉，发生了由东向西的海侵。到了早志留纪晚期，海水退缩，出现滨海—潮坪相碎屑岩沉积。泥盆纪时进一步海退，形成滨海相、陆相沉积岩，岩石色调多呈褐色、红色。石炭纪海水侵入塔里木盆地，是继奥陶纪最大海侵之后的又一次广泛的海侵。沉积一套滨海、三角洲、潮坪、潮滩相碎屑岩及台坪—浅滩相碳酸盐岩。早二叠世初各山系回返，塔里木地台抬升，使除塔西南边缘以外的广大地区陆化，出现海陆交互相、湖泊沉积，伴有玄武岩、中酸性凝灰岩。晚三叠世（海西运动晚期）海水从西部逐渐退出，三叠纪及以后塔里木盆地成为真正的内陆盆地。但陈荣林（1987、1995）认为，在塔西南坳陷和库车坳陷，中侏罗世出现海泛事件。三叠系发育辫状三角洲-湖泊和扇三角洲-湖泊沉积体系，库车坳陷沉积厚度可达1900m。侏罗纪时，气候潮湿，发育河湖相泥岩、煤层。白垩纪塔北隆起区为冲积扇、河流相红色沉积。塔中隆起缺失白垩系。到了新生代，塔北隆起区出现快速沉积，厚度3000～5200m。其中始新世为扇三角洲、湖泊沉积，中新世为冲积扇—干盐湖沉积。塔中地区新生代沉积厚度小于2100m。
图2-1 区域构造单元划分
图2-2 区域上6大地层不整合接触关系