1.晚二疊世-三疊紀-弧後前陸盆地形成階段
海西運動使石炭紀-早二疊世地層褶皺，形成吐哈褶皺基底。晚二疊世，吐哈盆地周邊的邊界山脈主要由南部的覺羅塔格山向北逆沖，覺羅塔格山作為弧前加積逆沖體由南向北逆沖吐魯番板塊，在其前方形成弧後前陸坳陷帶。東北緣的哈裏克山形成並向西南擠壓；北部的博格達拗拉槽開始由東向西回流，南北兩側的前陸坳陷帶使用壹個中央隆起帶。從殘留的二疊系和三疊系等厚圖分析，沿現今中央斷裂帶存在島鏈古隆起，將盆地分為南北兩部分，南部坳陷帶較淺。地震資料分析自西向東可區分托克遜凹陷、魯西低凸起、鄯善凹陷、庫木凸起和塔南凹陷，地層普遍南厚北薄，晚二疊世和晚三疊世有兩個。根據航磁資料和地震資料分析，北部坳陷帶存在2 ~ 3個凹陷，即西部的桃樹院子凹陷、中部的阿克塔斯凹陷和東部的草湖凹陷。由於博格達山隆起的影響沒有波及到整個吐魯番坳陷，所以兩側坳陷帶的範圍比現在的吐哈盆地要大。盆地西北部可能與準噶爾盆地有某種統壹的關系。
此時哈密坳陷已有獨立的構造單元，其西側的四道溝北東向斷裂控制了哈密地區的晚二疊世-三疊世沈積，沈積厚度大，地層完整，是吐哈盆地晚二疊世-三疊世地層最完整的地區。
2.侏羅紀-古近紀-類前陸盆地形成階段
三疊紀末的印支運動是盆地內強烈的充註構造運動，改變了晚二疊世以來南北兩個前陸坳陷帶的構造面貌，使盆地前侏羅系剝蝕夷平，形成準平原。覺羅塔格山停止移動，南部坳陷帶上升，形成區域性斜坡，形成盆地南部基底的壹部分，成為盆地中、新生代地層沈積的主要物源。吐魯番坳陷統壹成壹個整體。受北部博格達山隆起的影響，山前持續沈降，接受侏羅紀沈積。
早、中侏羅世，整個盆地為沼澤和平原相沈積，吐魯番坳陷的沈積中心逐漸從西部和南部向北部山前轉移。
中侏羅世末期，盆地西北緣的喀拉烏山急劇隆升，在坳陷西部形成布爾嘎隆起和依拉湖-肯得克高原帶，北部坳陷帶成為吐哈盆地的主要沈降帶，並隨著博格達山的隆升開始進入類前陸盆地階段。類前陸盆地是指在前陸盆地的基礎上發展起來的盆地，其剖面特征和沈積組合與前陸盆地相似，但又有所不同。這壹時期，北部的博格達山由北向南逆掩，南部形成逐漸傾斜的斜坡，出現北厚南薄的楔形地層，沈積中心位於北部山前。侏羅紀末，隨著西北部卡拉烏山的隆升，產生了壹系列北東向的正構造帶，將原來的統壹凹陷在東北部劃分為三個次級凹陷，即西部的繩金臺凹陷、中部的邱東凹陷和東部的草湖凹陷。
白堊紀-古近紀是盆地的平衡沈降階段。早白堊世，坳陷處於擠壓擡升狀態。在群山環繞和幹熱氣候條件下，坳陷區進壹步收縮，沈積了壹套以紅色粗碎屑巖為主的河流相沈積。西部托克遜地區受伊拉湖斷層影響，再次成為窪地。哈密地區東部和北部山前主要表現為博格達山自北向南的擠壓，擠壓強度不大，僅在山前形成壹系列山脈。以河流相和沖洪積相為主的杉杉群、桃樹院子組、葡萄溝組沈積廣泛，上覆不同層的下伏地層，沈積範圍延伸至全盆地。至此，吐哈盆地完全統壹。這種統壹不是通過湖盆的匯水實現的，而是通過廣泛的河流相和沖積扇的連接實現的。
3.新近紀至第四紀--新天山山間盆地的形成階段。
新天山的隆升與壹系列地體與古亞洲大陸南緣的碰撞有關，其最終的強勢崛起與印度板塊的碰撞有關。在此期間，博格達山形成“V”形逆沖，形成扇形構造，向吐哈盆地和準噶爾盆地兩側逆沖推覆，造成吐魯番坳陷各種凹陷格局的變化。由北向南的強烈壓應力使北部坳陷帶八道灣組和西山窯組兩套含煤地層產生了大規模的蓋層。其前緣帶形成中央背斜帶，西部火焰山構造帶將早期的勝金臺凹陷壹分為二，形成山北的勝北凹陷和山南的盛楠凹陷。同時，由於拆離作用的不均衡，北部坳陷帶產生了4條近南北向平移斷層，將坳陷帶劃分為5個塊體，每個塊體的構造帶走向、局部構造樣式和數量都不相同。直到吐魯番坳陷南北分帶和東西斷塊構造格局定型，次級坳陷的遷移和變化才停止。而受博格達山影響較小的哈密坳陷仍保持著北東向和北西向構造交織的網狀構造格局。
隨著喜馬拉雅運動，博格達山經歷了強烈的隆升和向南的逆沖，相應地，盆地內發生了壹系列的逆沖和褶皺作用，特別是北部坳陷帶，普遍遭受隆升和剝蝕。第四系基本為盆地內壹套洪積-沖積的磨拉石沈積，無湖盆發育，表明盆地已進入消亡階段。
圖1-5吐哈盆地構造層次剖面圖(顯示盆地結構)