Là giai đoạn tách giãn tạo bể tích tụ theo cấu trúc riêng diễn ra từ Eocen đến Oligocen – Miocen sớm. Vào thời kỳ này, đáy bể bị phân cắt bởi các đứt gãy quy mô lớn thành các khối kéo dài, có bề rộng khác nhau và sau đó bị bẻ gãy bởi các đứt gãy ngang ở các khoảng cách khác nhau. Kết quả đã tạo nên các khối nhô, hố sụt và hình thành nhiều bán địa hào – đơn vị cấu trúc cơ bản của bể rift rìa lục địa như bể Cửu Long. Hoạt động tách giãn ngày một tăng, làm cho bể lún chìm sâu hơn. Trong giai đoạn đầu, nguồn cung cấp trầm tích ít, kết hợp với điều kiện khí hậu thuận lợi, đã tạo nên hố sâu với sự tích tụ các tầng trầm tích sét hồ dày, phủ trên diện rộng thuộc tập D (thành hệ Trà Tân giữa) và sau đó đánh dấu giai đoạn lấp đầy bể rift bằng các trầm tích giàu cát hơn thuộc tập C (thành hệ Trà Tân trên). Vùng trung tâm bể có bề dày trầm tích lớn, gây ra sự sụt lún trọng lực, tạo ra các đứt gãy đồng trầm tích và kéo xoay các trầm tích Oligocen.
Vào cuối Oligocen, hoạt động nén ép đã đẩy trồi các khối móng sâu, làm xuất hiện sự nghịch đảo trong trầm tích Oligocen ở trung tâm các đới trũng chính, làm tái hoạt động các đứt gãy thuận chính ở dạng ép chờm, trượt bằng. Điều đó tạo nên ở phần phía Bắc của bể một số cấu tạo lồi hình hoa với sự bào mịn, vát mỏng mạnh mẽ của lớp trầm tích thuộc tập C (phụ hệ tầng Trà Tân trên). Trầm tích Eocen – Oligocen trong các trũng chính có bề dày lên đến 5.000m, được hình thành trong các mơi trường sơng, hồ và châu thổ. Sự chấm dứt hoạt động của các đứt gãy chính và bất chỉnh hợp góc ở nóc trầm tích Oligocen đã kết thúc thời kỳ này.
Tiếp theo là vào Miocen sớm, quá trình tách giãn yếu dần và sự hoạt động yếu của các đứt gãy. Trong thời kì này, biển tiến khu vực bắt đầu xuất hiện và tiến vào bể Cửu Long từ phía Đơng – Bắc, mang theo năng lượng lớn đẩy trầm tích lục nguyên lùi về phía Nam. Vào cuối Miocen sớm, các trũng trung tâm tiếp tục sụt lún, kèm theo đó là sự oằn võng do sụt lún trọng lực, nguội lạnh và co ngót của các khối magma ở dưới sâu của các trầm tích Oligocen, làm cho phần lớn diện tích bể chìm sâu dưới mực nước biển, tạo điều kiện để tầng chắn khu vực – tầng sét Rotalit được hình thành. Các trầm tích Miocen dưới phủ chờm lên hầu hết địa hình Oligocen.