Бассейн расположен на участке левобережья р. Амура. На севере и востоке бассейн ограничен хр. Тукурингра, на юге — хр. Малый Хинган, на западе — Гонхикским поднятием. От Зея-Буреинской впадины на юго-востоке он отделен палеозойским складчатым массивом, перекрытым маломощным чехлом третичных отложений. Впадина вытянута в меридиональном направлении. Длина ее 225 км, ширина 80 км, площадь около 18 тыс. км2.
В составе осадочного чехла этой впадины принимают участие нормальные осадочные образования юрской и меловой систем, подразделенных на две свиты — зейскую и аякскую.
Зейская свита относится к верхней юре и представлена песчаниками серыми, среднезернистыми, полимиктовыми, с прослоями мелкогалечных конгломератов, в основании свиты — валунные конгломераты с галькой гранитоидов, кристаллических пород и эффузивов. Мощность ее 2500— 3500 м. Аякская свита по возрасту относится к верхней юре — нижнему мелу и представлена песчаниками серыми, от мелко- до крупнозернистых, полимиктовыми и кварцевыми с прослойками глинистых сланцев и алевролитов, мощностью 1700—2300 м.