Bồn trũng Nam Cơn Sơn phát triển trƣớc Đệ Tam, là kết quả của quá trình tách giãn đáy Biển Đơng.
1. Giai đoạn trước Đệ Tam.
Biến cố đầu tiên ở khu vực Nam Cơn Sơn là chuyển động tạo núi Indosini xảy ra trong suốt Mesozoic muộn (Jurassic – Cretaceous) liên quan đến sự va chạm và hội tụ của các mảng lớn trong khu vực.
Tiếp theo là sự hội tụ các lục địa hình thành ở rìa Đơng Nam lục địa Âu Á, cung magma kéo dài từ Nam Việt Nam đến Đơng Bắc Trung Quốc. Do đĩ mĩng của bồn trũng là một phần của đới va chạm.
2. Giai đoạn Palaeogen.
Vào đầu Đệ Tam, tồn bộ Sundaland cĩ lẽ là thời kỳ san bằng kiến tạo. Do ảnh hƣởng của pha kiến tạo Biển Đơng, tồn khu vực chịu sự chi phối của trƣờng ứng suất tạo rift. Quá trình tách giãn tạo rift đã hình thành các đứt gãy cắt sâu vào mĩng tạo nên các địa hào, bán địa hào ban đầu của bồn trũng kéo dài theo hƣớng Đơng – Tây. Chính vì thế mà các thành tạo Palaeogen ở phía Tây bồn trũng mĩng cĩ bề dày biến đổi mạnh theo bình đồ, cũng cĩ khi vắng mặt phía Tây và dày hàng nghìn mét ở phía Đơng. Cuối Oligocene, tồn bồn trũng bị nâng lên, chấm dứt giai đoạn thành tạo bồn trũng thể hiện qua mặt bất chỉnh hợp ở nĩc Oligocene.
3. Giai đoạn Miocene sớm.
Sang đầu Miocene tồn vùng bị hạ thấp dần, biển tiến trên tồn bồn trũng từ hƣớng Đơng sang Tây, các thành tạo lục nguyên tƣớng biển nơng và biển ven bờ đƣợc bồi đắp, hệ tầng này đƣợc xếp vào hệ tầng Dừa. Giai đoạn này đƣợc xếp vào giai đoạn oằn võng mở rộng bể.
Vào Miocene giữa, tồn bộ bồn trũng tiếp tục bị sụt lún, biển tiến mạnh, tích tụ trầm tích tƣớng biển, và đƣợc xếp vào hệ tầng Thơng – Mãng Cầu.
Từ cuối Miocene giữa và đầu Miocene muộn xảy ra các chuyển động nghịch đảo, đặc biệt phía Bắc bồn trũng hình thành khối nâng Mãng Cầu kéo dài về phía Đơng, Đơng Bắc, ngăn cách hẳn trũng Bắc và trũng trung tâm, phƣơng của cấu trúc là á kinh tuyến và phƣơng Đơng Bắc – Tây Nam.
Đến cuối Miocene muộn, tồn bồn trũng lại nâng lên và biển lùi về phía Đơng, kết thúc giai đoạn oằn võng. Các chuyển động kiến tạo cuối Miocene mang tính rộng lớn tồn Biển Đơng và đây là thời kỳ hồn thiện một loạt bẫy cấu trúc của nhiều bồn trũng Đệ Tam.
5. Giai đoạn Pliocence – Đệ Tứ.
Đây là giai đoạn biển mở, phát triển ở thềm lục địa khơng chỉ ở bồn trũng Nam Cơn Sơn mà cịn ở nhiều bồn trũng Cenozoic khác trong tồn vùng. Biển tiến ồ ạt phủ ngập các đới nâng Cơn Sơn, Khorat – Natuna, bình đồ cấu trúc của bồn trũng khơng cịn mang tính kế thừa của giai đoạn trƣớc, chúng cĩ xu hƣớng nghiêng dần về phía Biển Đơng, các thành tạo tƣớng biển đƣợc lắng đọng và đƣợc xếp vào hệ tầng Biển Đơng.