滨里海盆地内充填了巨厚的古生代、中生代和新生代沉积物。在剖面上可分为三套地层组合 ,即盐下层系、含盐层系和盐上层系。盐下层系为下古生界—下二叠统 ,包括巨厚的碎屑岩和碳酸盐岩 ,在泥盆纪—早二叠世 ,滨里海盆地周缘广大地区普遍发育碳酸盐沉积 ,在许多古隆起上还发育生物礁体 ,说明这一时期盆地的滨、浅海地带具有浅、清、暖的沉积环境 ,盆外陆源碎屑供应较少。含盐层系为下二叠统上部孔谷阶。早二叠世中—后期由于持续构造抬升 ,盆地气候变得干旱 ,海水变浅 ,潮上带蒸发环境发育 ,以致这一时期广泛发育盐类沉积 ,形成含盐层系 ,主要由盐岩和硬石膏层构成 ,并形成许多大小不等的盐丘构造。盐上层系为上二叠统—第四系。晚二叠世—三叠纪盆地又经历了一次大的海侵 ,为浅海陆棚环境 ,局部为海陆过渡三角洲相。侏罗纪—白垩纪在总的浅海陆棚环境下 ,盆地不同地区也形成了湖泊和湖环境。晚二叠世以后形成的盐上层系沉积 ,主要为碎屑岩 ,在局部地区有碳酸盐岩。