从石炭纪开始，塔里木盆地又一次经历了广泛海侵，西昆仑—帕米尔出现北昆仑—帕米尔洋（姜春发等，1992），沿东昆仑中央蛇绿岩带扩张形成洋区（肖序常等，1990），推测它与昆仑北带所代表的洋区是相通的，可能是古特提斯大洋的一部分。海水浸入塔里木盆地，塔里木盆地石炭系底部普遍发育一套代表早期沉积的砂岩（东河砂岩）。晚石炭世开始，昆仑洋往北俯冲消减，在昆仑北部发育火山岛弧，西南坳陷一带可能为弧后裂陷盆地（图5-5）。塔里木板块北部的北天山洋开始拉张形成洋区（王作勋等，1986；黄汲清等，1990；肖序常等，1990），该扩张带可能东起玛纳斯南山的基性超基性岩带，经依连哈比尔尕山，到巴音沟蛇绿岩，该扩张带持续时间较短（肖序常等，1990）。依据中天山广泛存在酸性岩浆侵入，推测在晚石炭世洋壳已向中天山—伊宁板块俯冲，早二叠世晚期完全封闭，古生物资料也证明了这一点（吴绍组，1993）。
图5-5 新疆塔里木盆地石炭纪—二叠纪古构造及残留厚度图
从早石炭世早期开始，海水从西向东侵入，受南北陆缘隆起的控制，形成滨海海滩—泻湖—半闭塞台地环境，以灰色灰岩、砂泥岩及膏盐岩沉积为主，隆起前缘一带砂岩沉积相对较厚。随着海侵扩大逐渐淹没了柯坪隆起，并在原隆起部位发育了宽阔的台缘粒屑滩相颗粒灰岩，向北经乌什—拜城过渡至南天山克拉通边缘残留海盆地。在巴仑台—库鲁克塔格北可能为弧后盆地。晚石炭世塔里木盆地海水较早期开阔，发育台地相泥晶灰岩、泥晶粒屑粒岩，和滨岸沼泽相黑色炭质泥岩。唐古巴斯一带可能存在间断地来自南部的海侵作用，石炭系厚度600～900m。塔西南弧后裂陷盆地，以滨海相碳酸盐岩和砂泥岩为主，沉积厚度较大，达1000～1500m（图5-5）。
二叠纪开始，北天山消减作用增加，开始走向封闭。塔里木盆地自东向西逐渐抬升，海水也随之向西大规模撤退，由于板块南北的俯冲作用，南天山、塔里木盆地西部出克拉通边缘裂谷。在板块南部古特提斯洋板块向北俯冲，出现增生俯冲杂岩体和喀拉昆仑—西昆仑岩浆弧，在西昆仑库地北部和帕米尔地区的塔什库尔干断陷两侧发育较多的海西期花岗岩。
在叶城西南棋盘及北部地区下二叠统为滨浅海相沉积。岩性为灰岩、砂岩夹钙质页岩，下部含大量
南天山一带出现陆内裂谷盆地，形成时间可能为晚石炭世—早二叠世，主要展布于南天山南缘近东西伸展的构造带，岩浆活动极为强烈，活动范围广、期次多，沉积厚度大，岩浆类型多样，以火山喷发为主，同时包括各种浅、深成侵入作用。在库车河—老虎台一带推测存在火山岩喷发和侵入通道（陈发景等，1994）。在沙雅隆起、阿瓦提断陷、巴楚隆起及柯坪地区普遍发育早二叠世火山岩，柯坪隆起下二叠统库普库兹曼组和开派兹雷克组中发育两套基性火山岩，与粉砂岩和粉砂质泥岩互层。巴楚隆起地表大规模出露二叠纪基性岩墙群，岩性以辉绿岩为主，在塔北、塔中钻井也揭示该套地层，如哈1井、哈2井、沙参1井、和深2井、沙42井、满西1井、皮1井等等，主要岩性为各种玄武岩、火山碎屑岩类及英安斑岩、流纹岩等。在阿瓦提、巴楚、麦盖提及和田地区，地震剖面明显反映了该期大面积岩浆喷发的存在，由于层状火山岩与顶部碎屑岩间存在较大的波组抗，出现强振幅、连续性好的波组特征，区域上分布较为稳定，主要展布于塔里木盆地中部和北部地区，向南逐渐连续性变差。通过对基性火山岩岩样的化学元素分析表明，它属于大陆富集上地幔部分熔融的产物，与大洋岛和大陆裂谷碱性稀土元素接近，应为克拉通内的裂谷盆地，属于区域拉张环境下的产物（陈发景等，1994）。
早二叠世末期，南部羌塘板块快速北移、俯冲消减增强，北昆仑洋壳环境随之消失，北部北天山洋和南天山弧后盆地封闭消失。塔里木盆及周缘地区抬升，海水全部退出，晚二叠世代表碰撞后期的沉积特征，以陆相碎屑岩沉积为主，主要沉积区为塔西南—塔中、南天山南缘及库车坳陷北部一带，反映了在早二叠世末构造格局下的充填式沉积。随着板块边缘的进一步挤压调整，二叠世晚期之后塔里木盆地进入板内变形阶段，周缘山系隆升，沉积面貌及构造格局改变，塔北和巴楚地区强烈抬升变形。柯坪、巴楚、麦盖提及西南坳陷部分地区，抬升剥蚀，以至缺失中新生代部分地层。三叠纪及其以后盆地发展，除与西南部印支—燕山期特提斯洋活动有关外，主要与大陆板块内部的均衡调整及一度活动的岩石圈冷却有关，为于大陆内部沉积盆地，属板内构造变形。