第三纪含煤盆地主要分布在中国大陆东部，是全球第三纪环太平洋聚煤带的组成部分。老第三纪含煤盆地主要分布于大陆东北部，新第三纪含煤盆地主要分布在大陆西南部云南境内。第三纪含煤盆地发育于古新世，延续至更新世，始新世及中、上新世聚煤作用较强。含煤地层厚度自数十米至2000 m，台湾含煤地层厚达7000 m。老第三纪沉积一般厚600 m以上，新第三纪沉积厚300m左右。第三纪含煤盆地面积一般较小，从小于1 km2至870 km2，一般为数平方千米至数百平方千米，老第三纪最大含煤盆地——南宁盆地870 km2，台湾新第三纪含煤盆地为1800 km2，南海、东海等其它海域含煤盆地规模较大。大陆范围内第三纪含煤盆地含煤面积为整个盆地面积的1/4～1/3。第三纪含煤盆地的形成均与所在构造位置特征相关联，构造线展布亦与其相一致。位于大陆东北部盆地构造走向一般为北东、北北东，位于西南部的处于几个构造带的结合部，构造走向亦随之呈北西、南北或北东向，位于藏滇板块上的盆地一般呈近东西向，而台西盆地则呈现北北东向。
含煤盆地的沉积环境与古气候密切相关，中国大陆在新生代时期古气候发生较大变化。老第三纪时，有一条自新疆至福建、浙江的北西—南东向的全球性干旱气候带，其北为温暖潮湿气候带，受大兴安岭、太行山、吕梁山的影响，以东降雨较多；其南早期较为干旱，中后期为热带—亚热带潮湿气候，南岭以南降雨较多。现代海域部位的古气候为半干旱、半潮湿气候。受古气候条件的制约，老第三纪含煤盆地主要形成于大陆东北部与南岭以南地区。新第三纪时，干旱气候带范围缩小，除大陆西北、华北西部为干燥气候外，大部地域气候湿润，分带不很明显。新第三纪亚热带北界南移，北方聚煤作用减弱，含煤盆地规模小，分布零星，南岭以南特别是云南境内，因印度洋季候风的影响，雨量充沛，植被繁茂，聚煤作用强。
老第三纪中国大陆古构造、古地理与白垩纪时期有明显的继承性，老第三纪含煤盆地分布与其有明显的相似性，除古气候因素外，主要是古构造、古地理因素所致。受太平洋板块对亚洲大陆的影响，燕山晚期以来大陆东部形成区域性引张作用，形成北北东向沉降带与隆起带，老第三纪分布在华北和近海大陆边缘裂谷系，在边缘带充填了含煤序列，在大型断裂带形成含煤性较好的断陷盆地。
新第三纪构造格局又发生变化，大陆东部沉降带以大型坳陷盆地为特征，由于物源等成煤条件不匹配，在大型沉积坳陷中多未形成良好的含煤沉积建造，从而结束了早白垩世、老第三纪在大陆东北部为含煤主要分布区的历史。新第三纪时期，受印度板块的推挤，青藏高原及广大西北地区剧烈隆升，西部海域从大陆退出，位于第二阶梯的云贵高原处于陆内低洼区，在一系列的断陷洼地形成含煤碎屑岩沉积。在东部形成稳定的湖泊相细碎屑岩含煤沉积，西部发育洪、冲积相粗碎屑岩与湖泊相细碎屑岩相交替的沉积序列。台湾中央山脉以西老第三纪时为大陆边缘海槽，强烈下陷充填了巨厚的较深海相碎屑沉积。新第三纪，时升时降频繁，海水进退往复，形成海陆交替相含煤沉积。
第三纪含煤盆地充填序列与前有所不同，含煤地层由泥岩、粉砂岩、油页岩、淡水灰岩、硅藻土及煤层等细碎屑岩组成，油页岩、灰岩主要分布于下第三系，硅藻土多发育在上第三系含煤岩系中，在煤系地层中还夹有玄武岩、凝灰岩，下第三系含煤岩系之下有些还发育有膏盐沉积，台湾盆地含煤岩系还有海相灰岩层。含煤盆地充填特征差异很大，大体归纳为五种类型。第一类为水进序列，底部为粗碎屑冲洪积充填阶段，其上为湖泊相细碎屑岩充填与含煤细碎屑岩充填的稳定阶段，如梅河、舒兰、昭通盆地，当序列中组合较稳定单一时含煤性较好，当组合复杂多变时含煤性变差，如保山罗赛、合浦营盘。第二类为湖泊相细碎屑岩与含煤细碎屑岩相互交替序列，属于沉积物质欠补偿状态，此类序列含煤盆地较多，在北方此序列煤层发育较差，如桦甸、五图盆地；而南方则煤层发育较好，如禄丰罗茨、楚雄吕合、百色等。第三类为粗碎屑洪冲积充填沉积，进到含煤细碎屑沉积，由数个旋回重复叠加组成序列，盆地物源补给充分，环境不太稳定，煤层发育不太好，如宝泉岭、达莲河盆地，但景东大街盆地煤层较厚。第四类为火山岩及火山碎屑岩与含煤细碎屑岩沉积组合。由于火山活动对聚煤条件的频繁破坏，煤层厚度较小，稳定性差，如宁海、繁峙盆地，但张北盆地火山充填间隔较长，环境稳定，煤层厚18.5 m。第五类为海陆交替相沉积序列，沿海海相沉积含煤盆地，覆水较深，含煤较差，如台湾、东海等盆地。除此而外，还有由多类序列构成复合式复杂沉积序列类型，如鸡东平阳、珲春、盐源盆地等。
第三纪除在东部沿海形成台湾、东海、南海等海域含煤沉积盆地外，中国大陆基本上为陆内沉积环境，形成陆相含煤沉积。在内陆沉积环境下，由于盆地相互隔绝，沉积特征、充填类型差异较大。多数盆地为汇水盆地，但盆地物源补给强度不同，沉积岩相带展布并不呈现明显的环带状，多为不对称状。在盆地充填演化过程中，以平静的湖泊相和泥炭沼泽相较为发育。大多数第三纪含煤盆地，沉积中心、沉降中心、富煤中心相一致。地层结构多为向上超覆式，说明多数盆地在充填演化过程中，构造活动方式为整体升降，沉积范围逐步扩大。同沉积断裂或坳陷活动致使盆地沉积中心、沉降中心不一致。
第三纪含煤盆地主要聚煤方式为湖泊淤浅沼泽化，沉积中心往往是富煤中心，煤层多属原地生成，盆地中心煤层厚度大、结构简单，边部厚度小、结构复杂，煤层底板或下部往往是较稳定的湖泊相细碎屑岩。盆地中冲洪积相不发育，盆地充填特征呈欠补偿状态。受同沉积断裂和坳陷影响的盆地，物质补偿充分，湖泊淤浅成煤过程明显，冲洪积扇前缘带聚煤强度较大，冲洪积扇间或物源不足地带覆水较深成煤较差。
第三纪含煤盆地多为向上超覆式充填，形成时间较晚的煤层比早期煤层稳定，新第三纪较老第三纪稳定。受盆地基底古地形的影响，煤层在数十米距离分叉、尖灭，煤层结构亦从盆地中心向边缘变为复杂，厚度亦变薄、尖灭。煤层在盆地充填序列中的发育方式可分两类。第一类煤层集中于序列的中下部位，层数较少，厚度较大，多达数十米以上，第三纪盆地中最厚的煤层为此充填类型，这种类型多发育在以细碎屑岩为主的第一、二类沉积组合中。第二类煤层发育在整个沉积序列中，煤层较多、较厚，但煤层不甚发育，有些盆地煤层分布较均匀（如珲春盆地），也有些盆地较集中呈煤组出现（如百色、梅河、宜良盆地）。
同一盆地一般只发育一个时期含煤地层，尚未发现同一盆地中有两个时期的煤层同时均发育的现象，说明适宜的聚煤条件难以在同时同地重复再现形成叠置型含煤盆地。
第三纪含煤岩系含煤层较多，最多达80多层，如昌台盆地含煤88层，一般含煤3～10余层，老第三纪含煤层数较新第三纪多。老第三纪煤层单层厚度一般为0～5 m，但抚顺单层含煤厚97 m。新第三纪煤层单层厚度一般超过10 m，滇东一些盆地超过100 m，如小龙潭、普阳盆地。先锋盆地钻孔煤厚达244.24 m，昭通盆地一般厚40 m余，最厚125.14 m。
一般而论，新第三纪的聚煤作用强于老第三纪，各种类型充填序列在新第三纪均能发育厚度较大和稳定的煤层，老第三纪较厚和稳定的煤层仅发育在第一和第二类沉积序列中。第三纪含煤盆地聚煤丰度高于其它聚煤期，如开远小龙潭盆地（N1）为12303×104t/km2，昭通盆地（N2）为5031×104t/km2，晚石炭世、二叠纪、侏罗纪和白垩纪的聚煤丰度不超过3000×104t/km2。