Триасовая и юрская системы представлены двумя сериями. Нижняя (T1-T2) сложена вулканогенно-осадочными породами (кайнотипными базальтами и их туфами, конгломератами, брекчиями, песчаниками) мощностью 1500 м. Верхняя (T3-J1) сложена осадочными породами, преимущественно угленосными мощностью 2500 м (аналоги пород Челябинского яруса Восточного Урала).

Абсолютный возраст магматических пород переходного комплекса 195-240 млн. лет, т.е. триасовый. В северной и центральной частях плиты переходный комплекс выполняет Западно-Сибирский рифт. От других грабенов плиты он отличается особенно широким развитием магматических пород и большой их мощностью (более 400 м).

Осадочный чехол начинается среднеюрскими, а чаще верхнеюрскими отложениями. В нем выделяются два структурных яруса: нижний охватывает отложения от средней и верхней юры до нижнего олигоцена включительно, верхний – от среднего олигоцена до четвертичных отложений. Оба яруса образованы терригенными отложениями.

Нижний структурный ярус осадочного чехла начинается среднеюрскими отложениями. Среднеюрские отложения на западном, восточном и южном обрамлениях плиты представлены континентальными осадками, преимущественно угленосными или пестроцветными общей мощностью от 110 до 500 м. Во внутренних частях плиты они переходят в прибрежно-морские. В позднеюрскую эпоху широкая морская трансгрессия охватила почти всю современную территорию Западно-Сибирской плиты. Верхняя юра отделяется от подстилающих отложений хорошо выраженным несогласием, представлена морскими осадками мощностью 300 м. Морской бассейн был вытянут в меридиональном направлении почти симметрично по отношению к Западно-Сибирскому рифту.

Меловая система. К ней относятся лагунные красноцветные песчано-глинистые отложения с пресноводными остракодами и остатками харовых водорослей, а в центральном и восточном районах плиты – морские песчано-глинистые толщи. В альбско-атское время и верхнемеловую эпоху направление движения блоков изменяется, относительно опущенным становится западный блок и на нем развиваются морские отложения. В восточном блоке развиваются континентально-прибрежные и угленосные отложения. В туронских отложениях на востоке плиты известны своеобразные оолитовые железняки, образующие железорудную провинцию. Морские коньяк-сантонские отложения центральных частей плиты, представленные глинистыми опоковидными породами с прослоями трепелов и доломитов, с ядрами иноцерамов, ростров белемнитов и многочисленных радиолярий, восточнее переходят в континентальные толщи (в Приенисейской части плиты). Кампан-маастрихтские отложения в западных и центральных частях плиты представлены морскими фациями из зеленовато-серых карбонатных глин с прослоями мергелей и алевролитов. Общая мощность меловых отложений около 2000 м.

Палеогеновая система. В палеоцене – нижнем олигоцене относительно опущенным оставался западный блок плиты, здесь представлены морские отложения, преимущественно темно-серые и черные глины с прослоями песчаников мощностью 25-45 м, с фауной фораминифер и радиолярий. В восточной и южной частях плиты они переходят в континентальные отложения. Эоценовые отложения в западной части плиты сложены преимущественно зеленовато-серыми глинами, чередующимися с опоками и кварцево-глауконитовыми песчаниками и алевролитами мощностью 95-245 м, с фауной радиолярий, фораминифер и диатомовыми водорослями, а также сравнительно богатым комплексом моллюсков. На востоке морские отложения переходят в более мелководные, прибрежно-морские. В период формирования нижнего структурного яруса осадочного чехла в зоне Западно-Сибирского рифта существовали магматические очаги, поставлявшие пирокластический материал. В Ларьякской опорной скважине в валанжинских отложениях обнаружено большое скопление пеплового материала, прослоев туфов и туффитов. В кампан-маастрихт-датских отложениях выявлены мощные туфы с обломками основных эффузивов, «микробомбами» и лапиллями. Аналогичные образования встречены в разрезе Тазовской опорной скважины. На окраинах Западно-Сибирской плиты в осадочном чехле пирокластический материал встречается значительно реже.

Верхний структурный ярус. Западно-Сибирская плита – уникальная область терригенного осадконакопления. Фации нижнего структурного яруса – результат трансгрессии Бореального бассейна. В северной и центральной частях развиты сравнительно глубоководные отложения, по направлению к периферии они сменяются более мелководными и на окраинах – прибрежными осадками. После нижнего олигоцена морской бассейн покидает Западно-Сибирскую плиту, поэтому верхний структурный ярус осадочного чехла сложен терригенными континентальными отложениями. Кроме этой общей закономерности наблюдается изменение фаций в зависимости от движения блоков по разные стороны Западно-Сибирского рифта.

Средний и верхний олигоцен сложен кварцевыми песками, алевролитами с прослоями бурых углей и лигнитов с мощностью 100-200 м и пресноводной фауной. В Кустанайской седловине в Павлодарском Прииртышье в низах среднего олигоцена встречаются залежи оолитовых железных руд.

Неогеновая система. Осадки миоцена – нижнего плиоцена обычно объединяют в единый комплекс озерно-болотных, речных и делювиальных отложений. В их составе преобладают зеленые, темно-коричневые и пестроцветные ожелезненные глины, супеси и пески.

Четвертичная система. Отложения распространены весьма широко. Они покрывают почти всю плиту, их мощность колеблется от 5 до 250 м. Среди них широко развиты ледниковые отложения. В позднем плиоцене – раннем плейстоцене опущенным был восточный блок, т.к. здесь преобладают озерно-болотные, делювиальные и пролювиальные отложения. В среднем плейстоцене Западно-Сибирская плита наклонилась на севере в результате опускания Карского моря. Пирокластический материал не встречается выше палеоценовых и эоценовых отложений, что свидетельствует об угасании очагов Западно-Сибирского рифта.

Тектоника. Средняя мощность земной коры Западно-Сибирской плиты 40 км, под Западно-Сибирским рифтом – 30 км. В северной и центральной частях плиты располагается жесткий древний блок – Иртыш-Надымский байкальский массив, на протяжении которого к югу развиты погребенные каледониды западной части Центрального Казахстана. Эта полоса относительно жестких древних структур ограниченная на западе Восточно-Уральским, а на востоке Колтогорско-Уренгойским разломами. Граница между байкалитами и каледонидами проходит по Демьянскому разлому.

С запада и востока байкальско-каледонский центральный блок фундамента плиты ограничен герцинидами: на западе – Палео-Уралом, на востоке – Обь-Зайсанской зоной позднепалеозойской складчатости. Для погребенных уралид характерны полосовое гравимагнитное поле и структуры строго уральской ориентировки. Среди них выделяется ряд антиклинальных и синклинальных зон, служащих продолжение Южно-Уральских структур, сложенных эвгеосинклинальными формациями нижнего и среднего палеозоя.

Обь-Зайсанская зона герцинид прослеживается в меридиональном направлении от Семипалатинска то низовьев Таза. Она продолжает в фундаменте плиты герциниды восточной части Центрального Казахстана, Алтая и Томь-Колыванской складчатой области. На восточной окраине плиты в фундаменте выделяется Приенисейская зона байкалит, являющаяся продолжением байкалит западного ограничения Сибирской платформы.