Провинция охватывает территорию одной из крупнейших низменностей мира площадью более 500 тыс. км2. Она соответствует глубокой впадине — мегасинеклизе, занимающей юго-восточную, наиболее погруженную часть Русской платформы. Мощность осадочного чехла до 22 км. Солянокупольная тектоника — основная отличительная черта строения региона. Соляные купола нижнепермской соли прорывают над-солевые отложения пермского и мезозойского возраста, с которыми связаны залежи нефти многих местоскоплений провинции. Наиболее перспективные подсолевые отложения на большей части территории залегают глубоко и почти не изучены бурением.

Первое местоскопление нефти в Прикаспийской нефтегазоносной провинции было открыто в 1911 г. После установления советской власти в Казахстане нефтяная промышленность здесь начала развиваться бурными темпами. Освоению Эмбинской нефтяной области большое значение придавал В. И. Ленин. По его инициативе было начато строительство железной дороги к эмбинским промыслам. В Прикаспийской провинции известно несколько десятков местоскоплений. В мощном осадочном чехле Прикаспийской мегасинеклизы выделяются четыре структурных этажа: палеозойский (подсолевой), нижнепермский (кунгурский, соленосный), верхнепермско-палеогеновый (надсолевой) и неогеновый (покровный) . Главными элементами региональной структуры Прикаспийской мегасинеклизы являются бортовые уступы, особенно четко выраженные на севере и северо-западе, и центральная часть, в которой установлены погребенные поднятия и прогибы подсолевого ложа.

В бортовых районах поверхность подсолевых отложений круто погружается (с 4 до 7,5 км). Наличие глубинных разломов придает им ступенчатый характер. Центральная часть мегасинеклизы характеризуется глубоким (до 7,5 км) залеганием подсолевого ложа, наличием типичных соляных куполов, разнообразных по форме и размерам. Строение этой части мегасинеклизы осложнено выступами и опущенными блоками фундамента. Нефтегазоносность Прикаспийской мегасинеклизы установлена по всему вскрытому разрезу отложений. В надсолевой толще пород выделяются четыре нефтегазоносных комплекса: пермо-триасовый, среднеюрский, апт-неокомский и неогеновый.