准噶尔盆地是一个面积为23×104km2的侏罗纪大型含煤盆地，二叠纪时是由多个沉积中心联合组成的坳陷盆地，三叠纪始形成统一的沉积盆地，现今盆地除西部冲断带和东部隆起外，中部由两隆三坳相间组成，中央隆起带以南坳陷范围大，埋藏深，发育较好。乌伦古坳陷位于最北部，面积1.6×104km2，在二叠系剥蚀夷平面上沉积盖层厚达4000～6000 m，沉积中心紧靠断陷北侧，呈不对称单边断陷。三个泉隆起面积1.8×104km2，呈北西走向，隆起带上发育有多个箕状凹陷，沉积有下二叠统地层，凸起上发育有2000～5000 m的中、新生界盖层。西北缘冲断带位于扎依尔山、哈拉阿拉特山前，呈北东向展布，长300 km，宽20～30 km，面积1.4×104km2，为一长期发育的推覆构造带。玛湖-漠区坳陷呈北西西走向，面积1.3×104km2，坳陷由二个凹陷、一个凸起组成，是二叠纪以来持续发展的坳陷，凹陷内中、新生代沉积厚度6000～12000 m，凸起上厚8000～11000 m。中央隆起带是位于盆地中央呈北西向展布的低隆起带，面积0.4×104km2。凸起上中、新生代盖层约4000～10000 m，二叠纪以来持续发展的凹陷内盖层厚度达18000 m。昌吉坳陷由石河子和阜康凹陷组成，是自二叠纪以来持续发展的最大坳陷，中、新生代沉积厚度2000～12000 m，面积1.7×104km2，坳陷南缘由阶梯状低凸起带与断层相隔。乌鲁木齐坳陷是喜马拉雅期形成的前陆盆地，由博格达山前凹陷、安集海—四棵树凹陷及三台凸起组成，面积2.4×104km2。博格达凹陷、安集海—四棵树凹陷中、新生代沉积厚度6000 m，沉积中心自东向西迁移，三台凸起二叠纪时为潜山，印支至喜马拉雅期被改造为断陷，沉积岩层厚2000～4000 m。
准噶尔盆地侏罗纪含煤岩系为水西沟群，自下而上为八道湾组、三工河组、西山窑组，上下两组均为含煤层组，中部三工河组为非煤岩层，顶部与上覆头屯河组整合接触，底部与下伏中、上三叠统小泉沟组假整合接触。
下侏罗统八道湾组分上、下两段，厚852.9 m。下段为灰绿、灰褐色砾岩，含砾粗砂岩，粗、中、细、粉砂岩，粉砂质泥岩，深灰色泥岩、炭质泥岩，含孢粉化石，厚427.7 m。含煤3层，含煤地层厚103.6 m，顶部煤层厚1.7 m（井下厚3 m）。上段为灰绿、灰褐色砾岩，含砾粗砂岩，中、细、粉砂岩，灰色粉砂质泥岩、炭质泥岩、菱铁矿层，含孢粉化石，夹煤线，厚425.2 m。下统三工河组为灰绿色含砾粗砂岩，粗、中、细、粉砂岩，粉砂质泥岩；黄褐、灰色粗—细砂岩，厚589.0 m。中侏罗统西山窑组分上、下两段，厚854.4 m。下段为灰褐、灰黄色粗—中砂岩，灰色细—粉砂岩，灰黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，黑色泥岩，夹菱铁矿层，局部有石膏层，含植物、孢粉化石，与上覆、下伏地层连续沉积，厚415.4 m。含煤层厚169.5 m，含煤14层，煤线多层，煤层厚20.0 m，单层最大厚8.8 m。上段为灰黄、灰白色含砾粗砂岩、粗—细砂岩，灰绿色粉砂质泥岩，灰黑色泥岩、炭质泥岩，夹菱铁矿结核，含孢粉化石，厚439.0 m，含10层煤线，含煤11层，厚157.5 m。
八道湾组出露在盆地南部，小泉沟一带最厚，下段含砾砂岩、砾岩、粉砂质泥岩和煤层，为冲积扇沉积体系，上段下部层段以砂岩为主为扇三角洲体系，上部层段以泥岩、粉砂岩为主为滨浅湖沉积体系。在盆地西北缘和什托洛盖岩层厚682.3 m，下段厚层砾岩、含砾砂岩夹泥岩、煤线为冲积扇沉积体系，上段中细砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层为扇三角洲或湖泊三角洲沉积体系。在克拉玛依一带岩层厚度减薄至75.3 m，下部为辫状河相沉积，中上部为湖泊相沉积。在盆地东部奇台北山岩层厚100 m，为河流沉积体系。八道湾组沉积时期，冲积扇相区主要分布在盆地西北部乌尔禾一带，盆地北缘乌伦古河以南和盆地东部奇台北山一带。河流相包括了辫状河、曲流河体系，以及河流三角洲体系，主要分布在盆地四周，盆地西北缘、北缘和东缘最为发育，南缘相带狭窄。在河流相带内侧的盆地腹部，为浅滨湖相分布区，沉积中心位于玛纳斯至呼图壁一线以北，呈北西向展布。
三工河组以水平纹理泥岩和砂质泥岩为主，中夹厚度不大的细、中砂岩和泥灰岩，富含淡水双壳类、叶肢介、介形类化石，滨浅湖相沉积，局部为半深湖相沉积。其中亦有滨岸沙坝、沙洲沉积或浅水重力流沉积。在玛纳斯一带，三工河组上部仍属湖泊沉积体系，其下部有270 m厚粒度不同的砂岩段，自下而上构成由前三角洲、扇三角洲前缘、扇三角洲平原组成的扇三角洲体系，反映了由扇三角洲体系向湖泊沉积体系过渡的沉积序列。三工河组沉积厚度变化大，玛纳斯一带厚600～800 m，阜康南一带厚765 m，和什托洛盖一带厚626 m，克拉玛依厚97 m，奇台北山厚63 m。三工河组沉积时期，河流相沉积不发育，在盆地周缘如百口泉、和布赛尔、乌伦古河西南、奇台北山、乌鲁木齐—阜康一带有冲积扇、扇三角洲沉积，盆地中部主要为湖泊相沉积，而且深湖或较深湖相沉积范围较八道湾组沉积时要大，沉积中心与沉降中心不相一致，沉积中心位于盆地中部，沉降中心位于盆地南部山前地带。
西山窑组岩性稳定，分布广泛，厚度变化大，在5～1000 m之间。盆地西北缘厚741 m，底部为河流沉积体系，其上为湖相三角洲沉积体系。克拉玛依一带厚89 m，为三角洲沉积体系，但三角洲前缘部分的砂质沉积物粒度较粗，三角洲平原部分无可采煤层，应属扇三角洲沉积体系。盆地南缘分布较广，厚度变化较大（137～986 m），为湖泊三角洲沉积体系。盆地东部和东北缘亦为湖泊三角洲沉积体系，但地层厚度较小（5～262 m）。西山窑组沉积时期，盆地内部主要为滨浅湖相区，包括扇三角洲沉积的冲积扇相区仅在盆地北缘发育，河流相区分布在西北缘的红山嘴—乌尔禾、东缘的奇台北山、南缘的乌苏—安集海—玛纳斯—呼图壁以南的山前地带及博格达山北侧。
准噶尔盆地八道湾组和西山窑组沉积时期岩相古地理面貌十分相似，两个沉积阶段湖盆水体很浅，湖泊三角洲体系发育，在有适宜的古气候和繁盛的古植被条件下，形成有利聚煤的泥炭沼泽沉积。三工河组沉积时期为大面积湖泊相沉积，深水、较深水湖相发育，不利含煤岩系的形成，但是这一沉积组合又有利于下部煤系的演化与保存。
准噶尔盆地中侏罗统上部头屯河组为泥岩、砂质泥岩、细砾岩、砾状砂岩、页岩及煤线，局部夹透镜状砂岩、菱铁矿结核，厚660 m。上侏罗统下部齐古组为红色碎屑岩夹薄层凝灰质砂岩，厚700 m。上部喀拉扎组为红色粗碎屑岩，厚度变化大，在玛纳斯河厚500～800 m，克拉玛依厚仅数米。中侏罗世晚期，准噶尔盆地仍处在北方潮湿气候带，为陆内河湖相含煤砂泥岩沉积，但成煤条件变差。晚侏罗世转为北方半潮湿气候带，属陆内河湖相砂泥岩沉积，气候由潮湿转干旱，沉积相带转为平原河湖相沉积，形成杂色至红色碎屑岩沉积。
白垩纪时期，准噶尔盆地继承了侏罗纪沉积盆地特点，但沉积范围缩小。下白垩统吐谷鲁组为杂色砂泥岩，厚1600 m，含介形类、双壳类、龟类、脊椎动物化石，与下侏罗统不整合接触。上白垩统东沟组为红色砂砾岩，厚800 m，分布局限，产恐龙、介形类化石。准噶尔盆地白垩纪古气候属潮湿—干旱气候过渡带，为河湖相红色碎屑岩，含膏盐层，又有绿色杂色沉积岩系。早白垩世属陆内河湖相杂色碎屑岩沉积，晚白垩世属陆内河湖相红色碎屑岩及膏盐沉积。白垩纪盆地沉积范围变小，可能与受到挤压应力作用有关。
准噶尔盆地第三系自下而上为古新—始新统紫泥泉子组、始新—渐新统安集海组、渐新—中新统沙湾组、中新统塔西河组、上新统独山子组。紫泥泉子组与白垩系不整合接触，为红色砂质泥岩与砾岩互层夹砂岩，在玛纳斯河厚855 m，西部薄，东部厚，含介形虫化石，与下伏白垩系不整合。安集海组为灰绿色泥岩夹泥灰岩和薄层砂岩，厚800 m，含介形虫、双壳类、孢粉化石，分布普遍，厚度变化大。沙湾组为棕红色砂质泥岩夹砂岩、砾岩、团块状灰岩，厚450～500 m，含介形类、腹足类、脊椎动物化石，在山前地带分布广泛。塔西河组为灰绿色泥岩夹砂岩、介壳灰岩，厚100～320 m，含介壳类、双壳类、哺乳类、孢粉化石。独山子组为棕黄色砂质泥岩、泥岩砂岩互层，上部砾岩与西域砾岩层过渡，化石种类繁多，厚1500～2000 m。老第三纪准噶尔盆地处于北方半潮湿气候带，但因位于大陆西部，气候仍较干燥，为陆内湖泊相砂泥岩沉积，沉积岩层多为红色碎屑岩建造，且膏盐不甚发育，具有明显的山前沉陷深向外侧变浅的箕状坳陷盆地特征。新第三纪准噶尔盆地处于西北干燥气候带，至上新世已转变为沙漠、盐碱草原，新第三纪为陆内河湖相红色砂泥岩沉积。早期以河流相、浅湖相含膏盐砂泥岩沉积为主，晚期是以砾岩为主的磨拉石沉积，仍然具有山前沉陷深，沉积物厚而粗，向侧向变浅、变细的前陆坳陷盆地的特征。