上古生界的石炭系、二叠系以碳酸盐岩和碎屑岩为主，局部地区下二叠统夹玄武岩。
泥盆系 ，主要是陆源碎屑沉积，伴随大量中基性、中酸性火山喷发，局部地区发育礁灰岩，厚度巨大，岩性变化剧烈，地层间的接触形式多为不整合或假整合，古生物以底栖固着类型为主，兼具西欧和东美区的分子。
石炭系， 在准噶尔盆地以达拉期火山岛弧沉积为特征，伊宁地区为德坞期至达拉期发育的弧沟体及回返后的磨拉石沉积为特征，内蒙古—吉林地区石炭系为深海槽以巨厚硅质碎屑和碳酸盐碎屑浊流沉积占优势，石炭纪动物群属于北方区系、植物群属安加拉区系。
二叠系 在阿尔泰和北准噶尔地区，其下部以中酸性火山岩和洪积相、冲积相碎屑岩为主，不整合超覆于上石炭统以前的地层之上，上部多为小型地堑式盆地中形成的冲积相和湖相沉积，准噶尔盆地南缘的二叠系不整合于石炭系顶部的逍遥期地层之上，其间缺失紫松期沉积，二叠系下部为滨海相巨厚碎屑岩，下部夹有巨大漂砾，中部的滨岸河湖相沉积分布广泛，上部为红色内陆盆地的具水平层理粉砂岩、页岩和硅质岩，属于二叠纪弧后盆地沉积序列，其植物群属于安加拉型、孢粉组合序列与乌拉尔地区十分接近。
