В геоструктурном отношении Северо-Тургайской провинции соответствует Тургайский эпигерцинский прогиб.

Отметки кровли палеозоя колеблются от 100 до 120—150 м и более, а мощность осадочного чехла в среднем не превышает первые сотни метров, постепенно нарастая от западных и восточных бортов прогиба к его осевой зоне.

Резко увеличивается осадочная толща в погребенных грабенах фундамента, подобных, например, Наурзумскому, где разрезы мезокайнозоя достигают мощности 500—700 м и более.

Платформенный чехол Тургайского прогиба сложен континентальными и морскими осадками от триаса до неогена и плейстоцена включительно.

Особенно важным маркирующим горизонтом, который фиксируется по всей территории прогиба, являются отложения последней морской трансгрессии палеогена — соленосные горизонты чеганской свиты (верхний эоцен — нижний олигоцен).

Выше них залегают исключительно континентальные слои, представленные песчано-глинистыми осадками олигоцена и миоцена, которые и участвуют в сложении столово-ступенчатого рельефа плато. Четвертичные отложения на междуречьях маломощны, редко превышают 5 — 7 м. Только в Тургайской ложбине их мощность возрастает до нескольких десятков метров.