Иссыккульский бассейн расположен на месте межгорной впадины, заключенной между антиклинориями Кунгей-Алатау и Терскей-Алатау, представляющими высокогорные складчатые сооружения, сложенные в основном докембрийскими образованиями и меньше — палеозойскими отложениями. В формировании антиклинориев основная роль принадлежит каледонской складчатости.
Вдающееся в пределы бассейна юго-восточное окончание антиклинории Кунгей-Алатау отделяет основную западную часть бассейна — Иесыккульский прогиб — от небольшого и менее прогнутого Кегельского прогиба. Антиклинории Терскей-Алатау и Кунгей-Алатау по крутопадающим взбросам надвинуты в сторону Иссыккульского прогиба. Бассейн имеет слабо асимметричный поперечный профиль. Наибольшая мощность мезо-кайнозойского осадочного покрова — до 4—5 км — отмечается в юго-восточной части Иссыккульского прогиба.
В прибортовых зонах и в восточной половине Иссыккульского бассейна наблюдается ряд складок, вытянутых в виде субширотных цепей (рис. 82). Складки асимметричные, зачастую нарушенные продольными разрывами, с углами падения слоев на крыльях 10—50°. В ядрах краевых складок местами обнажается палеозойский фундамент, поверхность которого также антиклинально изогнута.
Фундаментом бассейна служат палеозойские отложения. Отмечается слабая степень дислоцированности каменноугольных отложений и участие последних в дислокациях вышележащих мезо-кайнозойских отложений.
В верхах красноцветного комплекса над соленосной толщей в Кегеньском прогибе наблюдаются пачки сероцветных битуминозных глин. Из данных отложений, относимых к олигоцен-миоцену, на Чульадырской антиклинали установлено выделение горючего газа. Другой толщей, богатой рассеянным органическим веществом, являются юрские угленосные отложения.
Иссыккульский бассейн по условиям нефтегазонакопления и диапазону возможной нефтегазоносности весьма близок к описанному выше Илийскому бассейну. В обоих бассейнах, вероятно, могут быть обнаружены небольшие по размерам, видимо, в основном газовые скопления в третичных отложениях, связанных с толщей битуминозных глин. К числу возможных нефтегазоносных комплексов должны принадлежать надежно захороненные юрские и, возможно, верхнепалеозойские (в частности каменноугольные) отложения.