Бассейн расположен на крайнем северо-востоке России и приурочен к впадине, имеющей то же наименование. На севере бассейн ограничивается окраинным вулканическим поясом и горстовыми поднятиями хребтов Пекульней и Золотой, на западе — северным продолжением Таловско-Майнского антиклинория и горстовым поднятием хр. Рарыткин, выдающимся внутрь бассейна. Южным ограничением бассейна служат северные отроги Корякского хребта. В обрамлении бассейна принимает участие мощная и разнородная толща пород преимущественно мезозойского возраста.
В строении Анадырской впадины принимают участие отложения верхнего мела и третичной системы, представленные песчано-глинистыми образованиями, несогласно перекрывающие сложно дислоцированные отложения нижнего мела. В структуре верхнемеловых — кайнозойских образований выделяется несколько крупных поднятий, разделенных между собой зонами опускания. Приподнятые участки мезо-кайнозойского чехла связаны, видимо, с горстовыми поднятиями фундамента. В нефтегазоносном отношении этот район практически не изучен. В районе Анадырской губы встречены на небольшой глубине минерализованные воды хлоркальциевого типа, содержащие незначительные количества нафтеновых кислот и брома. В этом же районе из скважины, пробуренной с целью разведки угольных месторождений, получен небольшой приток углеводородного газа. Перспективными в нефтегазоносном отношении оцениваются отложения верхнего мела и кайнозоя, суммарная наибольшая мощность которых в пределах этого бассейна оценивается до 6000 м.