巴丹吉林-北山盆地位于天山-赤峰活动带的西部东段，是燕山期形成的侏罗、白垩纪含煤盆地。侏罗纪含煤岩系主要分布在北山盆地群，巴丹吉林盆地深部有侏罗纪含煤岩系，早白垩世晚期坳陷盆地发育阶段亦有成煤过程，现今的北山盆地是经过后期构造变动改造形成的盆地群，巴丹吉林盆地是被新第三纪沉积覆盖的大型坳陷盆地。巴丹吉林-北山盆地的基底是天山-赤峰活动带，盆地跨越了活动带的三个构造单元，基底呈东西向展布，位于中部的是古老的中天山地块，其北为依林哈别尔尕-觉罗塔格古生代陆缘增生褶皱带，再北与准噶尔-兴安活动带相接，其南为北山裂谷带，再南与华北陆块阿拉善隆起地块相邻。
中天山地块为近东西向展布的长期隆起，由中新元古界变质岩系组成，下部为深变质岩系，上部为叠层镁质硅酸盐岩。地块经历了加里东、华力西期北天山洋盆和南天山洋盆向地块俯冲而卷入岛弧环境，构造活动极为强烈，北东、北西、东西向断裂十分发育，地块被分割为大小不一的断块，发育了元古宙、加里东、华力西中晚期花岗岩。由于地块的阻隔，其北部为北型生物群，其南部为南型生物群。北部晚古生代地壳活动强烈，泥盆—石炭纪有巨厚的火山岩系，南部泥盆—石炭纪为较稳定的碎屑岩、碳酸盐岩建造。位于中天山地块以北的伊林哈别尔尕-觉罗塔格古生代陆缘增生褶皱带，总体上显现了加里东、华力西时期沟—弧特征，西段伊林哈别尔尕一带沟—弧特征更为明显，东段觉罗塔格一带橄榄拉斑玄武岩侵位，构成花岗岩链。褶皱带属联合的塔里木古陆北缘陆缘增生带，北山一带早古生代及晚古生代地层发育齐全，北部为华力西褶皱带，有上古生界地层出露，线型紧闭褶皱，走向断裂发育，褶皱带的北界即塔里木—华北板块与西伯利亚板块的缝合线。中天山地块之南为北山裂谷带，南邻塔里木陆块与阿拉善地块，是元古宙基底上发育起来的加里东、华力西褶皱带，基底岩系与塔里木陆块相近，裂谷带由塔水-罗雅楚山地垒及北侧红柳河—依格孜塔格地堑和南侧干泉—红柳园地堑组成。裂谷带断裂构造发育，向北逆冲推覆，华力西期及加里东、燕山期多期岩浆侵入。裂谷带于中奥陶世开始拉开，经志留纪、泥盆纪、石炭纪、早二叠世，时断时续拉张与闭合，于晚二叠世闭合。上二叠统上部转为陆相碎屑岩沉积夹有中酸性火山岩。其南以阿拉善北缘断裂带为界与阿拉善隆起地块相邻。
阿尔金断裂系由且末-北山断裂带、若羌-敦煌断裂带、阿尔金断裂带组成。呈北东向斜截巴丹吉林盆地，走向55°～75°，倾向南东或北西，倾角陡为30°～70°。阿尔金断裂带主干断裂是塔里木陆块最早形成的断裂，虽经后期构造运动多次改造，在新太古—古元古代深变质岩中依然清晰可见，是早期发育的转换断层，中生代时期与其它断裂一起成为走滑断层，在断裂带南部最大走滑距离达650～700 km，北部为300～400 km。地震勘探证实，早、中侏罗世尚无与阿尔金断裂相关成盆的证据，而早白垩世盆地的形成与阿尔金断裂左行走滑密切相关。
华力西晚期，中天山以北陆缘增生带形成褶皱带，华力西末期中天山以南的裂谷带闭合，从此活动带进入陆内发展时期。巴丹吉林-北山盆地位于板块结合带与阿尔金断裂带的交汇部，中生代时期处于特提斯挤压活动干涉区，印支期褶皱基底尚未完全夷平，在向北推挤挤压应力作用下地块快速隆升，沉陷带形成北西西向小型山间盆地，堆积了三叠系陆相磨拉石建造。三叠纪隆升剥蚀形成新的盆岭结构为侏罗纪沉积盆地形成准备了条件。
侏罗、白垩纪含煤盆地的形成与演化，主要经历了两个阶段。燕山早期至中期（早侏罗—中侏罗世）侏罗纪盆地形成阶段和燕山中期至晚期（早白垩世早期—早白垩世晚期）白垩纪盆地形成阶段。
印支期末区域应力场由挤压转为松弛，在马鬃山隆起两侧沿北西西向张性断裂形成断陷盆地群，北带有黑鹰山和希热哈达—桃来三达盆地，南带有公婆泉—总口子盆地，沉积了湖沼—湖泊含煤碎屑岩建造，厚达1000～4000 m。中侏罗世末，构造变动使期前岩层强烈褶皱，并伴有逆冲断层，压性变形明显。地震资料揭示，总口子盆地中下侏罗统岩层受北侧卡路山—向石山向南逆冲断裂带和南侧窑西山—西梧桐沟向北逆冲断裂带的控制。中侏罗世沉积后有一明显的沉积间断，地块遭受剥蚀，缺失晚侏罗世沉积。
燕山中晚期是白垩纪盆地形成时期，由于印度板块向北推挤，西伯利亚板块向南挤压，阿尔金断裂带左旋走滑，形成了一系列北东—北东东向走滑拉张断陷。侏罗纪时期形成的盆地主要分布在北山地区，白垩纪时期扩展到巴丹吉林地区，盆地较侏罗纪盆地多，分布范围比侏罗纪盆地广，有些是在前期断陷盆地基础上发展起来的叠合盆地。早白垩世沉积盆地的发育分为三个时期。早白垩世早期麻木乌苏期为断陷发育阶段，以地堑型双断为特征沉积了河湖相碎屑岩，岩性变化大，仅部分地区有半浅深湖—潟湖相沉积，厚400～2300 m。麻木乌苏期后有一次轻微构造变动，地块隆升遭受剥蚀，有轻微褶皱断裂，在麻木乌苏凹陷西部路井次凹、湖西新村凹陷下部残留有该套地层。早白垩世中期额济纳期断坳盆地发展阶段，由于北东向断裂活动，形成单断箕状断陷，呈多字雁行排列，沉积了河流—浅湖相杂色碎屑岩及泥灰岩，厚900～2500 m。早白垩世晚期赛乌苏期，断裂活动减弱，巴丹吉林盆地整体缓慢沉陷，形成范围广阔的拗陷型盆地，沉积了河湖相细碎屑岩，厚500～700 m。
燕山晚期至喜马拉雅早期，结束了侏罗、白垩纪含煤盆地发育史，盆地处于整体隆升阶段，缺失上白垩统至下第三系。由于差异升降运动的影响，盆地内形成断块构造，伴有中基性岩浆活动。喜马拉雅晚期，受印度板块与欧亚板块碰撞的影响，藏滇板块快速隆升向北强烈推挤，区内应力场发生反转，由挤压走滑转变为拉张伸展，平行于阿尔金断裂带和贺兰山西缘断裂系统及派生断裂，构成Y型断裂网络，在伸展应力作用下沿着网络断裂陷落，周缘山系遭受剥蚀，盆地内部接受沉积。巴丹吉林盆地处于板块结合带与阿尔金断裂的交汇部位，张扭应力作用强，褶断网络发育，在应力伸张期沉积了100～300 m厚的上新统—第四系碎屑岩，形成了新生代大型坳陷盆地。