一、地形
准噶尔盆地为较完整的封闭干旱内陆盆地，北靠阿尔泰山山脉，南临天山山脉，中部为古尔班通古特沙漠。地形大致由北东向南西倾斜，总地势东高西低，平均海拔500m左右，东北部海拔800～1000m，西南部海拔最低处为189m。盆地中、东部为古尔班通古特沙漠，为我国第二大沙漠。
盆地内有3个主要湖泊:北部乌伦古湖，湖面高程468m;西北部的玛纳斯湖(已干涸)，平均海拔280m;西部的艾比湖，湖面高程189m。它们分别为准噶尔盆地3个独立的汇水中心。
阿尔泰山山脉，走向NW，位于盆地北部，山体宽60～120km，海拔为1500～3200m，西部最高山峰友谊峰海拔4374m，向东到青河县山地高度下降到3000m以下。
北天山位于盆地南部，山脉整体呈EW走向，平均海拔4000m左右，与准噶尔盆地之间高差达3000～3500m，山势雄伟，区内最高博格达峰海拔5445m。
准噶尔盆地以西是多列平行断块山地，总称为准噶尔西部山地，可分为南、北两个部分。北部山地呈东西向延伸，自北向南为萨吾尔山、塔尔巴哈台-谢米斯台山等;南部由西向东有巴尔雷克山、乌尔戛萨尔山、扎依尔山-玛立山、成吉思汗山等。
准噶尔东部山地，除去阿尔泰山延入部分外，还有喀拉麦里山、北塔山等，走向近EW向，向东为中蒙边境的地垒状山。
二、地貌
1.侵蚀、剥蚀地貌
(1)高山侵蚀地貌
分布在天山的博格达山、科古琴山及洪别林达坂、友谊峰，海拔2800～5445m，切割深度800～1500m，冰川作用强烈，褶皱、断层发育，山势崎岖，悬谷陡壁，多具尖顶，雪线高度在海拔3700m以上，U形谷发育，倒石堆和泥石流发育，冻裂与物质移动相当强烈。
(2)中山侵蚀、剥蚀地貌
分布于阿尔泰山(海拔1500～2400m)、天山(海拔1700～3000m)以及准噶尔西部山地中山地带，以流水侵蚀、剥蚀作用为主，分布范围大致与森林上、下限一致，切割深度300～600m，线状侵蚀十分强烈，峡谷、嶂谷、崩塌、倒石堆、滑坡等发育。
(3)低山区剥蚀地貌
分布于东西准噶尔山地、阿尔泰山及北天山，海拔900～1100m，相对高度200～500m。以剥蚀作用为主。植物贫乏，基岩裸露，岩屑坡、冲沟、干沟、倒石堆发育。
(4)丘陵区剥蚀地貌
主要分布于盆地边缘，呈带状分布，为季节性洪水侵蚀与剥蚀作用共存，该区山体上升幅度不大，经长期剥蚀切割形成一些地势低矮的丘陵。该区地表支离破碎，沟谷纵横，地表砾石、岩屑遍布坡面，间歇洪流细沟众多。植被贫乏，相对高度小于200m。
(5)风蚀地貌
准噶尔盆地雅丹地貌主要位于盆地西部，以乌尔禾附近的魔鬼城最为著名，为古近系、新近系红色泥岩，被风蚀作用不断刻蚀后形成，分布面积大，且形状怪异，千姿百态，色彩丰富。
2.堆积地貌
(1)黄土地貌
主要分布于天山、准噶尔西部山地的低中山区及其山麓地带。由风成黄土、冰水黄土及次生黄土堆积形成，外部形态表现为黄土塬、黄土梁和黄土覆盖丘陵。
(2)冲积、冲洪积、洪积平原
沿盆地周边均有分布，主要是河流形成的洪积扇(山前倾斜平原)、冲积平原和湖积平原。山前倾斜平原前缘地形微倾，土层深厚，地下水泄出，形成富饶的绿洲。
(3)风成平原
分布于盆地中部古尔班通古特沙漠以及一些小面积沙地，总面积5.61×104km2。受不同风向风力作用，形成了形态复杂、类型多样的沙丘，诸如新月沙丘、鱼鳞状沙丘、星状沙丘、羽状沙垄、树枝状沙垄等。小型沙地分布于乌伦古湖、玛纳斯湖、艾比湖等湖泊沿岸地区。地形平坦，由沙粒物质组成。
三、地质构造
准噶尔盆地是晚古生代至中、新生代多旋回叠合盆地，沉积了石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、新近纪和第四纪地层。盆地中央地层平缓，具稳定地块特征，盆地南部是天山山前坳陷(或称天山北缘前陆盆地)，盆地西北部为成吉思汗逆冲断褶带，盆地东北部为克拉美丽山山前坳陷。
准噶尔断陷盆地四周为大断裂所限，按走向可分为3组:NE向断裂，主要发育在盆地西缘，以达尔布特断裂和克-乌断裂为主控断裂;NW向断裂，主要发育在盆地东北部地区的乌伦古、克拉美丽地区，以卡拉先格尔大断裂、吐丝托依拉断裂、陆北断裂为主控断裂;EW向断裂，主要发育于南缘坳陷区，以昌吉南断裂、奎屯-玛纳斯-呼图壁北断裂为主控断裂。从断裂发育规模和活动强度来看，边缘断裂活动强度最大，盆地内部较弱。
1.构造
(1)南部断裂、天山山前深大断裂带
玛纳斯断裂:位于前山带(又称霍尔果斯-吐谷鲁断裂)，全长100km，总体走向280°，倾向南，倾角65°～85°，为一条压扭性活动断裂，切割最新地层为中更新世砾石层。发育于第一排构造带(南安集海背斜)南翼，由许多条断裂组成，主要有3条，总体走向NWW，向南倾，南盘上升，以挤压逆冲为主，为逆掩断层，伴生数条小断层，具阻水性质。
石河子-玛纳斯断裂:分布在第二排构造北翼，断裂走向近EW向，为一隐伏断裂，北盘上升，南盘下降，倾向南，倾角35°～65°，形成山前断陷盆地，性质为张扭性断裂，具导水性质。
呼图壁断裂:位于呼图壁背斜南翼，为一条NWW向性质不明的隐伏断裂，规模较大，长87.5km，位于呼图壁背斜南翼，沿断裂处有一系列泉点出露。
奎屯河顺河隐伏断裂:近SN向沿奎屯河河谷发育，为隐伏断裂，性质不明，被盆地中央断裂所截，在车排子附近被东西隐伏断裂切断，盆地中央断裂控制了奎屯河流向，并在车排子转向，最终汇入艾比湖。
乌鲁木齐河顺河隐伏断裂:近SN向沿河延伸，为张扭性断裂，断裂两侧地貌、岩性有明显差异，其他断裂均被其所截，长约95km，导水，沿断裂有泉出露。
(2)西部边界
克-乌断裂带，倾角30°～40°，为逆掩断裂，断裂南起车排子，北至乌尔禾以北，断层西侧为数条平行逆掩断裂构成的断裂带，将古近系、新近系断褶;断层东侧为第四系沉降区。
(3)东部边界
卡拉先格尔大断裂，位于富蕴县及青河县境内，由一组NNW方向的冲断面组成，为压扭性断裂，全长176km，宽度达数十米。
(4)北部边界
额尔齐斯大断裂，走向NWW，是阿尔泰山山前断裂，在东部为卡拉先格尔大断裂错断。
2.褶皱
(1)南安集海背斜东段
广泛发育于前山带，出露于南部呼图壁河河口，由古近系、新近系岩层组成，走向NWW，出露长度约5km，地下水一部分沿切穿背斜的河谷向下游运移，其余部分沿背斜边缘绕行。构成天山北麓第一排构造的组成部分。
(2)霍尔果斯-玛纳斯-吐谷鲁背斜
以玛纳斯背斜为主，其南翼倾角40°～60°，北翼发生倒转，向南倾45°～60°，背斜轴长45km，宽6km。贯穿整个背斜，发育纵向逆掩断层，轴部由古近系组成，两翼依次为新近系和第四系下更新统，构成天山北麓第二排隆起构造带。该带与第一排构造带之间构成较平缓的向斜洼地，形成储水构造，地下水主要沿大河河谷排泄。
(3)呼图壁背斜
位于呼图壁县东南，为一隐伏古近系、新近系构造背斜，其上为第四系覆盖。轴长40km，宽8km，两翼缓倾，倾角为6°～15°，与第二排构造之间为平缓的向斜相连。
3.新构造活动
区内新构造运动十分活跃，具有明显的继承性，基本是在老构造基础上继承性发展。新近纪—早更新世，盆地周边的天山、阿尔泰山老褶皱系复活，强烈抬升;盆地内部，受基底构造影响，呈现不均匀沉降，盆地南缘沉降幅度大，在天山北麓沿乌伊公路一带第四系厚1000～1200m，向北厚度逐渐减小;在古尔班通古特沙漠以北，第四系厚度一般小于30m。
盆地内新构造活动主要表现在以下几方面:
(1)山区与盆地差异性升降活动明显
早更新世至今，天山抬升量约为700～1500m，为强烈活动区;形成于古近纪的阿尔泰山，早更新世末抬升了近1000m，形成以中山为主的活动区;由于天山强烈抬升，盆地沉陷，盆地南部沉积了巨厚的第四系，博尔塔拉谷地第四系厚达60～900m，精河-大河沿山前断陷厚350～1500m，天山北麓沿乌伊公路一带厚1000～1200m。
(2)夷平面和阶地发育
山区发育多层夷平面，沿山体呈近EW或NWW向发育，并顺山体坡向微倾，倾角达3°～5°，被活动断裂切割成阶梯状。在艾比湖地区山前还分布有多级冰水台地，阿拉套前山带台面高程分别为1890m，1750～1760m，1600m;精河南巴音那木一带为1300～1500m，1500～1700m，1700～800m，台面遭不同程度的切割。
婆罗克努山北麓的艾比湖南岸，阶地十分发育，从湖区到山顶，共有18级阶地，一级阶地面宽1.2km，二级阶地面宽2km，3～18级阶地面宽为38～230m。一级阶地至第18级阶地之间的高差为164.346m。在河谷地区常见三级以上的阶地。
(3)褶皱活动
新近纪至第四纪早期，受青藏高原强烈隆升影响，盆地南缘古近系、新近系和下更新统普遍发生褶皱、断裂和挠曲，形成3条雁行排列的背斜带，地表出露近30个背斜;下更新统西域组砾石层普遍发生褶曲或挠曲，倾角可达40°～50°，与上覆中、上更新统呈不整合接触。
(4)活动断裂与地震
近EW向和NW向断裂是盆地内主要的活动断裂，分布在盆地山前地带，第四纪以来，不断向盆地逆冲、挤压，使山区不断抬升，同时，在山前产生新近系和第四系褶皱。NW向断裂斜切EW向断裂构造，在两组断裂交切处常有地震记录。最典型的是卡拉先格尔大断裂，1931年8月11日5时18分47秒，该断裂发生了一次8级大地震，有感范围达数千千米，地表破坏集中分布于富蕴县可可托海至青河二台之间的狭长地带，沿北西向二台断裂形成一条规模宏大的地震断裂带。在二台至青河的公路边，可见到现代洪积层被错断，形成3～5m高的断层崖和狭长的地堑式断陷。
四、地层
本区出露地层有古生界奥陶系、志留系、泥盆系及石炭系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系，新生界古近系、新近系、第四系。志留系、泥盆系分布较广，为地槽型的海相沉积;石炭系分布较少，为海陆交替相的沉积;古近系、新近系主要分布在盆地周边低山丘陵区及北部低山丘陵区，第四系主要分布在山间、山前一带洼地及盆地内。
1.独子山组(N2d)
主要是土黄色、褐黄色砂质泥岩与含砾砂岩互层或夹层，含钙质结核。岩性稳定，与上覆西域组为假整合接触，广泛分布在准噶尔盆地中南部，在玛纳斯河流域厚度最大，可达1500m以上;向东、向西厚度变薄。
2.西域组(Q1x)
分布在天山南北麓及昆仑山北麓的山前地带，以灰黑色巨厚砾岩、砂砾岩为主，夹淡黄色砂、泥岩，砾石成分复杂，有石英岩、花岗岩、片岩、板岩，砾石呈次圆-次棱角状，钙质胶结或半胶结，与下伏新近系呈整合接触，与上部乌苏群呈不整合接触，厚数十米至3020m。典型剖面如天山北麓的独山子和安集海。
独山子剖面，自下而上，划分为5段，总厚276m:
⑤灰黄色-灰黑色厚层砾岩层，夹砂透镜体，厚75.5m;
④灰黄色砂质泥岩与灰色砂岩互层，以砾岩为主，厚44m;
③灰黄色砂质泥岩与灰色砾岩互层，底部出现厚层褐黄色泥岩层，厚57.5m;
②以褐黄色泥岩为主，夹薄层黑色砂、砾岩，厚48m;
①以红黄色泥岩为主，厚51m。
与下伏新近系独山子组呈连续过渡关系。
安集海剖面，自下而上，划分为5段，总厚220m:
⑤灰黑色巨厚砾岩层与砂和砾岩层，厚38m;
④以黄色砂质泥岩与黑色砂、砾岩互层，厚45.5m;
③棕黄色砂质泥岩与灰黑色砂、砾岩互层，厚17.5m;
②棕黄色泥岩夹薄层状或透镜状砂、砾岩，厚95m;
①以红黄色泥岩为主，厚25m。
与下伏新近系呈连续过渡关系。
3.乌苏群(Q2)
以冲洪积为主，下部为灰色砾石层，较为稳定，受到不同程度的褶皱变形和错断，与下伏西域组和前第四系呈不整合接触;上部为黄土状土，分布不稳定，具有下粗上细的二元结构特征，总厚度为200m。在乌苏地区，由下到上，分为4组:
④采油厂组，位于独山子构造东部采油厂生产区内，具下粗上细的二元结构;
③鲤鱼山组，位于乌鲁木齐鲤鱼山，下部由砾石层组成，为泥沙和钙质胶结，上部为黄土层;
②奎屯组，位于奎屯河东岸，下部由灰色砾石组成，与独山子组呈不整合接触，上部由黄土组成，总厚20～30m;
①买川塔吾组，位于独山子背斜南翼的单面山山顶，下部由灰色砂砾石组成，上部由黄土覆盖，厚20m。
本群广泛分布于盆地四周、山区、大河两岸及山麓地带，属冲洪积成因，构成高戈壁平原或河谷的高阶地，一般高出河床数十米，局部可达200m。
4.新疆群(Q3)
以克拉玛依车排子柳沟剖面发育最好，由砂、砾石、碎石和砂质粘土组成，从山前至平原粒度由粗变细，地貌上构成洪积扇或山前倾斜平原，在盆地中心地带为湖相地层，为灰色细砂夹粘土层，厚135m;在山区(喀拉麦里山)为钙质、石膏质胶结的角砾岩，厚7.2～10.2m;在乌鲁木齐附近的山前倾斜平原前缘为黄色砂、砾石层及砂质粘土层，厚98m;在克拉玛依车排子柳沟为暗灰色或浅灰色砾石层，最大厚度为206.6m。
5.全新统(Q4)
沉积物复杂，有风积、冲积、湖积和洪积层。风积层有沙丘及沙漠，岩性主要为灰白、浅黄色石英砂，夹少量云母碎片，极疏松，一般中-粗粒，分选、圆度较好。冲积层主要分布于常年流水的河床和间歇性河谷的河床，以砾石和砂为主，在河漫滩阶面上常见有含砾亚砂土层，厚度不等，砾石成分主要为变质岩、花岗岩等。湖积层分布面积大小不等，多为土黄色-褐色致密的砂质亚粘土，多孔，含大量钙质，砂主要为石英砂粒，在低洼潮湿区往往变成半干涸的盐碱地，表面生成白色的盐碱膜。洪积层主要分布于盆地周边的现代干沟、山麓和洪积扇裙。
五、盆地发展史
中侏罗世，受燕山运动影响，盆地边缘山地开始隆升，气候从暖湿逐渐变为干热。早白垩世，准噶尔盆地再次下沉，地壳出现振荡运动，并在干燥炎热气候条件下，形成具粗细互层、红绿相间的地层;晚白垩世，盆地沉积范围明显缩小，气候更趋干燥，形成以红色为主的粗碎屑沉积。
古近纪，准噶尔盆地平稳沉降，南部降幅较大，接受了近千米厚的泥砂碎屑沉积，向北厚度逐渐变薄;盆地与周围剥蚀山区高差不大，以河湖相沉积为主，盆地边缘粗粒相碎屑沉积不甚发育，无膏盐沉积，属湿润与干旱气候过渡带。
新近纪，受到青藏高原隆升影响，盆地南北沉降幅度差异加大;中央隆起北部的乌伦古河一带，沉积厚度仅有172m;而南部则强烈下降，在盆地南缘形成坳陷带。古近系与新近系连续沉积，整套地层为干燥、湿润气候交替下的河湖相沉积，无石膏层，仍属湿润与干旱气候过渡带。这一时期，阿尔泰山开始形成，缓慢隆起，构成盆地北部边界。
早更新世，受青藏高原隆升影响，天山、阿尔泰山强烈抬升。盆地北部上升幅度较大，第四系沉积厚度很薄，一般小于10m，仅在额尔齐斯断陷河谷中有洪冲积相沉积，厚20～60m。盆地南部，天山大幅抬升，在山前地带形成巨大的洪积扇裙;山前拗陷继续沉降，接受了巨厚的洪冲积相、冰水相西域组砾石沉积，为一套灰绿色砾岩，一般厚数百米，在乌兰布拉克一带最厚，达2046m。这一时期，气候温润，周围山区冰川供水充足，湖泊发育，玛纳斯湖、艾比湖湖面广阔，为淡水湖，盆地沉降中心位于艾比湖一带，洪积扇间湖沼发育。早更新世末，天山、阿尔泰山分别抬升了700～1500m和1000m，气候开始变得干燥，湖泊面积开始缩小，盆地中部开始出现风积沙。
中、晚更新世，受青藏高原强烈隆升影响，天山、阿尔泰山进一步抬升，使盆地边缘形成开阔的台地和丘陵，山区山谷冰川发育;由于气候变得更为干燥，艾比湖、玛纳斯湖面积不断缩小、咸化;风蚀作用和堆积作用增强，盆地内岩漠、戈壁和沙漠面积不断扩大。至全新世，在盆地中心形成浩瀚的古尔班通古特沙漠。