Чу-Сарысуйский бассейн расположен в пределах одноименной впадины. На северо-востоке и юго-западе бассейн ограничен низкогорными областями и пологовсхолмленными возвышенностями, сложенными палеозойскими и докембрийскими складчатыми образованиями. К ним относятся: антиклинорий Улутау, Сарысу-Тенгизское поднятие, Чулийский антиклинорий, входящие в состав Казахстанского щита, и Каратауский антиклинорий, расположенный на продолжении Тянь-Шаньской области.
На юго-востоке Чу-Сарысуйский бассейн отделяется от Восточно-Чуйского погребенным Уланбель-Таласским поднятием с весьма неглубоким залеганием фундамента.
На западе Чу-Сарысуйский бассейн отделен от Кызылкумского погребенным выступом фундамента, которому на поверхности соответствует поднятие, сложенное меловыми отложениями.
Складчатые области, образующие обрамления Чуйского бассейна, были сформированы в основном в результате каледонской складчатости. Фундамент бассейна, вероятно, также представлен главным образом каледонским складчатым комплексом.
Верхнепалеозойские и частично среднепалеозойские (девонские) отложения общей мощностью в несколько тысяч метров здесь слабо метаморфизованы и входят в состав осадочного чехла. Мезозойские и кайнозойские отложения отличаются весьма малой мощностью и почти горизонтальным залеганием. Помимо пологих складок, в Чу-Сарысуйском бассейне выделяются солянокупольные поднятия, связанные с наличием в разрезе нижнего карбона и перми двух соленосных толщ.
В Чу-Сарысуйском бассейне возможным нефтегазоносным комплексом являются средне- и верхненадеозойские отложения. В пермских и девонских мергелях и известняках здесь местами отмечался нефтяной запах.