塔里木盆地是我国最大的内陆盆地，面积约56万km2。盆内腹地的塔克拉玛干沙漠面积达33.7万km2，被称为“死亡之海”，浩瀚无垠。前人根据物探资料，认为盆地具有一个较稳定的地台型基底，其内部以中央隆起带为界，划分为塔北和塔南两部分，确定了从古生界至新生界多个含油气层位，并于1984年在奥陶系灰岩中喷出高产工业油气流，实现了下古生界海相碳酸盐岩的首次重大突破（《中国石油天然气的勘查与发现》编写组，1992）。塔里木盆地可按地史演化特征分为4个阶段：
第一阶段：寒武纪至奥陶纪时的塔里木盆地，在克拉通内坳陷和大陆边缘沉积丰富的油气源岩，具自生储盖体系。克拉通内主要有寒武系和中上奥陶统两套生油岩，以泥质碳酸盐和泥质岩为主，厚约500m。大陆边缘即库鲁克塔格以南的满加尔坳陷，主要为寒武系和中下奥陶统的黑色页岩与暗色微晶碳酸盐岩，厚约300～1000m，有机质丰度高，是塔里木盆地古生代海相油气的主力生油岩，现仍完整保存于腹地的面积达8万km2（注：上奥陶统为碎屑浊积岩，无生烃力）。晚奥陶世是泛华运动的主幕，边缘已造山，志留系为海退序列碎屑岩，克拉通上转为面状古隆起，部分地区缺失中晚志留世沉积。泥盆系为晚古生代海侵上超地层，超覆在志留系和中下奥陶统上，海侵由南西向北东方向。
第二阶段：奠定塔里木盆地油气构造总貌的泛华夏-海西运动，在塔北和塔中古隆起上有长的沉积间断，奥陶纪的碳酸盐岩发生古岩溶喀斯特化，与上覆下石炭统接触面之间的溶孔洞-裂缝，成为工业油气流的重要储集体（前陆盆地演化阶段，克拉通上转为前陆隆起）。石炭纪时的海侵比泥盆纪时向北东方向扩大，沉积了碎屑岩和碳酸岩，但在天山海槽区则沉积了厚达万米的含火山物质地层。海西晚期天山海槽最终消失，碰撞造山，塔里木海盆转变为以（塔北）中央隆起分隔的两个陆盆，即西南和东北坳陷区。海西运动既为油气圈闭创造了有利的构造空间，也造成严重的油气散失。
第三阶段：中生代及古近纪除库车山前坳陷外，陆盆相对稳定。塔东北陆盆仍以满加尔为中心，沉积了约1500m厚的碎屑岩。西南陆盆的沉降幅度和范围相对要小一些，但上述两个陆盆都有一定的生油条件，处于低成熟到成熟阶段。
第四阶段：新近纪至第四纪为塔里木盆地统一期，由于塔里木已远离造山带，地温梯度较低，地层中间夹较差的生油岩，一般未达成熟阶段。但新近系覆盖下的古生界及三叠系油源岩进入成熟至过成熟期，生油、气量大大增加，而且形成大区域的良好封盖系统，使油气免遭散失，从而形成一批重要油气藏。