塔里木陆块原始基底形成于陆块形成阶段，较华北陆块为晚。基底下部为新太古界至古元古界中深变质岩系，上部为中新元古界浅变质岩系。新太古代至古元古代早期（五台期）沿塔里木陆核产生初次裂解，形成南北裂陷槽，古元古代中期辛格尔运动使裂陷槽闭合。吕梁运动后，沿塔里木南北两侧发生第二次开裂，阿尔金运动和塔里木运动后闭合使陆块克拉通化，并与华北、扬子、伊犁陆块对接，进入同步发展阶段。
塔里木陆块自震旦纪至华力西期为陆缘发展阶段，以不均衡掀斜升降运动为特征，陆块区内发展不平衡，各层系间呈平行不整合或微角度不整合。震旦至加里东期为南升北降，北部地层发育齐全，南部缺失震旦、寒武、志留系地层。华力西期为东升西降，西部地层发育齐全，东部地层较薄或缺失。
震旦纪塔里木陆块在北缘开裂形成优地槽型裂谷，沉积了陆缘裂谷型复理石夹火山岩、冰碛岩沉积，出现短暂闭合和间断，形成统间区域性不整合。柯坪隆升，裂谷闭合，形成寒武系与上震旦统间的平行不整合或角度不整合。震旦纪末古陆消失，寒武纪后主要为陆表海碎屑岩、碳酸盐岩沉积。加里东期陆块周边开裂，古陆块分裂后解体，中晚奥陶世形成陆缘裂谷带，中志留世末陆块又隆升为陆，塔里木盆地雏形基本形成。中泥盆世形成分布广泛的滨浅海、海陆交替相碎屑岩沉积，晚泥盆世在盆地北部和西南缘分布有近海砂泥岩沉积建造。在陆块内以升降运动为主，形成多层系间假整合。
石炭纪含煤岩系主要出露在塔里木盆地北缘柯坪隆起，含煤地层为上石炭统比京他乌组灰岩、石英砂岩夹砾岩、页岩，底部炭质页岩、薄煤层，最厚1200 m，含煤1层，厚0.5 m。阿克苏一带含煤较好，煤层厚4 m。在塔里木盆地百余口钻遇石炭、二叠纪系的深井中，已有多口井在石炭系岩层中钻遇煤线或薄层煤。塔中隆起的塔19井，井深3459～3693.5 m（厚234.5 m）的碎屑岩夹灰岩地层为石炭系卡拉沙依组，下部3598～3693.5 m为上泥岩段，上部3459～3598 m为砂质岩段，岩性为中至巨厚层泥岩、粉砂质泥岩、薄至厚层粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩互层，夹含砾薄细砂岩、薄层煤线。煤线位于卡拉沙依组顶部3480m井 深，黑色、质纯。巴楚隆起南部和深2井，在井深2756～3087 m（厚331 m）石炭系和田河组砂泥岩夹碳酸盐岩地层，井深2835～2910 m为深灰、灰黑色硅质页岩夹深灰色炭质泥岩、中厚层灰岩，2910～2963 m为深灰色硅质页岩夹多层煤线，底部灰白色细砂岩、煤线。
石炭、二叠系在塔里木盆地分布广泛，除盆地东部和东北缘外，大部地区都有展布，是古生界分布最广的地层。随着油气勘探程度提高，在盆地中腹钻遇石炭、二叠系地层的深井已达百余口，对该套层系的研究也在逐步加深。关于盆地中腹石炭、二叠系地层层序及时代的厘定，是地质构造研究的基础，亦关系到含煤盆地形成时期的确定。
在柯坪隆起出露的石炭、二叠系含煤地层被确定为上石炭统比京他乌组（C2b）、下二叠统库普库兹满组（P1k）和开派兹雷克组，至今仍被公允。塔中隆起深井勘探对石炭系地层的划分沿用了三分法，即下石炭统巴楚组（C1b）和中下石炭统卡拉沙依组（C1-2k）和小海子组（C1-2x）。石炭系划分为七个岩性段，即小海子组为第一岩性段（灰岩段），卡拉沙依组为第二岩性段、第三岩性段，巴楚组为第四岩性段（双峰灰岩段或标准岩性段）、第五岩性段（顶泥岩亚段、生屑灰岩亚段、底泥岩亚段）、第六岩性段（含砾砂岩段）、第七岩性段（东河砂岩段）。成都地质矿产研究所（1999）对塔里木盆地石炭、二叠系地层研究认为，东河塘组属上泥盆统法门阶，与上覆层假整合。巴楚组（C1b）、卡拉沙依组（C1k）（借用原名但其含义已改）为下石炭统下部和中部，属岩关阶（杜内阶），央拜希组为下石炭统上部，属大塘阶，与上覆层假整合。达里亚组（C2d）或和田河组（C2h）为上石炭统下部，属滑石板阶；小海子组（C2x）仅26 m，与达里亚组连续沉积，相当上石炭统中部，属达拉阶下部。小海子组之上缺失的层段相当于达拉阶上部和马平阶，与其假整合接触的库普库兹满组（P1k）、开派兹雷克组（P1k）为下二叠统下部和上部，属栖霞阶和茅口阶，与其假整合的上覆地层沙井子组（P2s）为上二叠统下部，属龙潭阶，其上缺失与长兴阶相当的地层而与三叠系地层假整合接触。上述地层划分方案适用于塔中、满加尔石炭、二叠系地层隐伏地区。在塔北地区，卡拉沙依组之上的央拜希组、达里亚组在局部地区缺失，覆在其上的小海子组及其以上的地层全部缺失。在巴楚地区，央拜希组缺失，和田河组和小海子组都存在。和田河组与达里亚组为同时异相沉积，同属滑石板阶。和田河组之上为小海子组，其上亦缺失相当达拉阶上部及马平阶地层，而与南闸组（C2—P1 n）假整合接触。南闸组相当马平阶上部，与康克林组同具穿时性，与下二叠统下部库普库兹满组连续沉积。由上可见，塔19 井原划为中下石炭统上部的卡拉沙依组第二岩性段即相当于达里亚组，应归属上石炭统，相当于央拜希组的第三岩性段，应归属于下石炭统。由此可知，位于塔19井第二岩性段上部的煤线应属达里亚组，达里亚组与和田河组为同时异相地层，和深2井和田河组的煤线亦应属上石炭统同时期的地层，即是晚石炭世滑石板期沉积。所以，塔里木盆地石炭纪含煤盆地应属晚石炭世。
早华力西运动发生在泥盆纪晚期，是塔里木盆地演化史中最重要的构造运动之一，与库米什运动、阿克库勒运动相当，与库米什—黑英山弧后洋盆和西昆仑南带的木吉—麻扎弧后洋盆的俯冲消减和碰撞闭合有关。早华力西运动主要是以对古生代盆地的由南向北基底拆离与多层次盖层滑脱板内改造变形为主，晚华力西运动则以隆升和褶皱及强烈剥蚀为特征。早华力西运动始于晚泥盆世，东河塘期（法门期）与石炭纪时期的沉积超覆于东河塘期前的不同时代地层之上，沉积期前后的古地势及构造面貌迥然不同。东河塘期前除满加尔—阿瓦提坳陷中心很窄范围没被剥蚀外，南、北分别向塔南、塔西南和塔北方向剥蚀，呈现中间低，南北高的古地势；东河塘期海水从西南侵入自西向东、由南往北呈区域性超覆，除满加尔坳陷中心部位仍为低地势外，坳陷区转移到沉积前为高地势的塔中南部至塔西南一带。由于华力西早期运动影响，盆地周缘南天山南部、昆仑山北部形成克拉通周边盆地，塔里木地块主体进入克拉通内坳陷盆地演化阶段。
晚泥盆世东河塘期（法门期）至早石炭世杜内期（巴楚组、卡拉沙依组沉积期），塔里木克拉通内坳陷盆地处于相对稳定状态，盆地持续稳定沉降，海水周期性升降，沉积了台地碳酸盐岩和碎屑岩。杜内期末，由于盆地外围挤压，东部缓慢抬升，近源沉积物粒度变粗，三角洲沉积向西推进，海域范围逐渐向西退缩，浅海碳酸盐台地向西迁移。早石炭世晚期（大塘期），由于北天山海槽及乌依塔格海槽相继关闭，导致巴楚运动发生，在盆地整体挤压背景下，塔北、塔中、巴楚、柯坪一带进一步抬升，遭受广泛剥蚀，形成央拜希组与达里亚组间假整合。巴楚运动形成的隆起控制了晚石炭世及以后的沉积古地理格局。晚石炭世滑石板早中期（达里亚组沉积早中期），浅海碳酸盐台地相局限在盆地西部，随着盆地稳定沉降和海平面不断上升，滑石板晚期至达拉期（小海子组沉积期），台地相碳酸盐岩沉积向东扩展到塔中隆起、满加尔坳陷及塔北隆起部分地区。晚石炭世达拉期末，盆地中、东部构造活动又趋强烈，柯坪、塔北、巴楚、塔中再一次隆升，后期遭受广泛剥蚀，形成小海子组与下二叠统库普兹满组或上石炭统南闸组间假整合，称之塔克拉玛干运动。晚二叠世马平早期（塔哈奇组沉积期），由于板内拉张和外围拉张作用，海平面相对上升，海域再次扩大，除盆地东部和中央低隆起较高部位继续遭受剥蚀外，包括柯坪、塔南在内的盆地广大地域接受了滨岸相碎屑岩和台地相碳酸盐岩沉积。马平晚期（塔哈奇组沉积期），海域继续扩大，柯坪隆起及塔东南古陆西端沉没水下，西塔里木浅海与南天山海连成一体，形成统一稳定的碳酸盐台地沉积。
华力西晚期，早二叠世栖霞—茅口期（库普库兹满组与开派兹雷克组沉积期），构造活动逐渐强烈，外围拉张和板内拉张达到极点，从栖霞期到茅口期，发生了多期多旋回的火山喷发活动，越来越强烈，范围亦越来越广泛。茅口期末，晚华力西运动在塔里木盆地影响广泛，导致南天山残留洋盆的最终关闭，形成天山褶皱带和昆仑褶皱带。在强烈的挤压作用下，塔里木地块整体隆升，海水全部退出，西部封闭，周边褶皱隆升遭受剥蚀，晚华力西运动最终结束了塔里木内克拉通坳陷盆地以及克拉通周边沉降盆地的演化历史，开始了陆内坳陷盆地及周缘前陆盆地发展的新阶段。
塔里木盆地中腹地区石炭纪含煤岩系，主要发育在上石炭统达里亚组与和田河组（滑石板阶）。早石炭世末巴楚运动导致海平面下降，海水自东向西退缩，巴楚—塔中及其以东地域隆升成陆，遭受剥蚀，巴楚隆起剥蚀严重。滑石板早期，海域沉积范围在阿图什以南、杜瓦以北，最东达玛扎塔克，低水位时期沉积不发育，高水位时期玛参1井（玛扎塔克）为河流相、河流泛滥平原相沉积。位于其西百公里的山1井为滨岸沼泽相沉积，盆地西部叶城、阿合奇一带发育台地相碳酸盐岩沉积。滑石板早期沉积发生短暂海退之后，海水又大规模东侵，海域向东扩展至满加尔坳陷，分布地域超过早期沉积范围。滑石板中期低水位时期沉积了厚度不大，分布局限的河流相沉积。由于巴楚—塔中水下隆起的阻隔，满加尔坳陷为半封闭海湾沉积，在塘北2井（玛扎塔克东120 km）发育滨岸沼泽相沉积，和1、2井（玛扎塔克以北）以西为内陆架泥质沉积，西部阿尔塔什一带为潟湖—障壁砂坝相沉积。高水位期，满加尔坳陷演变成半封闭潟湖相沉积，塘北2井至其东北50～60 km的巴东2井滨岸沼泽相范围扩大，盆地西部仍以内陆架泥质沉积为主，呈现海水西退沉积相带西移的趋势。滑石板晚期，随着海水逐渐向西退缩，海平面缓慢下降，盆地大部分暴露地表。低水位期，为厚度不大的河流相沉积，由开阔台地—局限台地—潮坪相构成，局限台地相分布在满加尔—塔中一带，周缘为潮坪相沉积，开阔台地相分布在和田河以西地区。高水位期，随着水平面逐渐下降，长期发育的巴楚—塔中水下低隆已部分露出水面，成为近南北向受潮汐作用影响的平台，发育潮坪和沼泽沉积，以东的满加尔至塔中一带为局限潟湖相沉积，以西为开阔台地相。滑石板期末海退之后，达拉早期海水东侵成为又一次规模较大的海侵。
从达里亚组与和田河组沉积相可见，在温暖潮湿的气候条件下，潮上带发育滨岸沼泽相沉积，在高水位期沿古陆或河流相带一侧在深灰色泥岩、黑色炭质泥岩互层中夹有多层煤线。滑石板期除潟湖相、潮坪相外，还发育有滨岸相、滨岸沼泽相、沼泽相、河流相等，都是成煤有利相带。如央拜希早期沉积，在塔里木盆地中部巴楚隆起至满加尔坳陷均以内陆架沉积为主，其周缘发育有潮坪相、三角洲相、河流相沉积，也都是成煤有利相带。石炭纪时期，塔里木地块处于热带—亚热带干旱—潮湿交替气候区，存在成煤的有利条件，但也有不利于植物繁生，不利于成煤的干旱气候环境。由此可见，塔里木盆地石炭纪中晚期具有古气候、古地理、古构造、古岩相等成煤条件，曾有成煤演化过程，石炭纪含煤盆地是存在的。随着盆地深部勘探程度的提高，对石炭纪含煤盆地的发育状况会有更多的发现。仅从目前已有资料分析，石炭纪含煤盆地的发育并不佳，其原因主要是频繁的地块升降，反复的海水进退，成煤有利时期短暂，盆地规模大、分布广，但缺少足量的成煤有机物质，未能形成煤藏富集的有利条件。
马平晚期（康克林组沉积晚期），即早二叠世早期，受塔克拉玛干运动的影响，盆地东部隆升遭受剥蚀，沉积岩层分布在和田河及其以西地区。早二叠世栖霞期（库普库兹满沉积期）的早期，古地理格局发生较大变化，由于盆地稳定沉降接受沉积，沉积边界向东大大扩展，在阿瓦提—满加尔—塔中一带发育广泛的河流泛滥平原沉积。随着海水向西北方向退缩，浅海碳酸盐岩台地相沉积主要分布在巴楚—玛扎塔克—策勒以西的盆地西部。栖霞中期继承了早期的古地理格局，随着海平面相对下降，海域范围继续向西南和西北方向退缩，浅海碳酸盐岩台地仅局限在巴楚—叶城一线西北一带，塔东河流相带已向西扩展到和田河一带，两者间为宽缓的潮坪相带，在开派兹雷克—四石厂一带发生规模较大的火山活动。栖霞晚期，塔东河流相带继续向西扩展，浅海碳酸盐岩台地相沉积亦向西退缩，仅分布在柯坪隆起的西端和乌什—南天山克拉通周边沉降盆地内，潮坪相带迁移至叶城—巴楚—阿克苏一线以西，柯坪隆起东端、塔北隆起的南侧发生了规模更大的火山活动。
早二叠世茅口期（开派兹雷克沉积期），塔里木克拉通内坳陷盆地转化为以陆相沉积为主，并伴有多周期、多旋回、多喷发中心，火山活动广泛分布。茅口早期曾一度沉没水下的柯坪隆起又隆升为陆，将马平晚期曾连为一体的塔里木克拉通内坳陷盆地与乌什—南天山周边沉降盆地再度隔开。克拉通内坳陷盆地主要发育陆相河流—三角洲—湖相沉积，伴有火山岩，乌什—南天山周边沉降盆地发育了滨岸碎屑岩、扇三角洲和浅海碳酸盐岩台地相沉积。茅口中晚期，柯坪隆起进一步隆升，因受塔东北和塔东南古陆的围限，以及强烈的火山作用的影响，塔里木克拉通内坳陷盆地陆相沉积主要分布在塔西南至阿瓦提一带。南天山受消减萎缩的影响，海水继续西退，茅口晚期为潟湖相沉积。
早二叠世是塔里木盆地又一次成煤期，含煤岩系为库普库兹满组和开派兹雷克组，分布在柯坪坳陷。下二叠统库普库兹满组，下部为陆相杂色碎屑岩，上部为玄武岩夹海相层，厚471 m。在开派兹雷克一带玄武岩段中夹泥岩、炭质页岩和1～2层薄煤，厚0.4～0.6 m，不稳定，呈透镜状。在柯坪东南沙井子断阶—阿拉尔斜坡的阿瓦提以北，早二叠世沉积为三角洲相、湖泊相砂泥岩、砂屑灰岩，油气钻井中见有薄煤层或煤线。早二叠世库普库兹满组和开派兹雷克组在盆地发育较广泛，除塔北以外在盆地东部塔中及满加尔一带都有分布，但含煤地层主要分布在柯坪一带，除沙井子断阶—阿拉尔斜坡的北部深部钻遇煤系地层外，盆地中腹地域尚未发现二叠纪含煤地层。早二叠世沉积岩相发育状况为有利于成煤的古地理条件，塔里木盆地虽然处于亚热气候带，但属于不利于古植物繁生的干旱气候环境，这可能是塔里木盆地未能形成规模广泛的二叠纪含煤盆地的主要原因，也是柯坪二叠纪含煤盆地发育不十分完好的原因。
参见《中国煤层气盆地图集》“塔里木盆地地质图”、“塔里木盆地石炭系柱状图”、“塔里木盆地石炭纪岩相古地理图”、“塔里木盆地石炭系残留厚度图”、“塔里木盆地前石炭纪地质图”、“塔里木盆地石炭系有机质变质程度图”。