Thời kỳ đồng tạo rift được khởi đầu vào cuối Eoxen, đầu Oligocen. Do tác động của các biến cố kiến tạo vừa nêu trên cùng với hướng căng giãn chính là Tây Bắc – Đông Nam, hàng loạt đứt gãy hướng Đông Bắc – Tây Nam được mở rộng do căng giãn, dãn đến sụt lún mạnh và tạo rift.
Trong Oligocen, giãn đáy biển theo hướng Bắc Nam tạo biển Đông bắt đầu từ 32 tr.năm trước. Trục giãn đáy biển phát triển dần xuống Tây Nam vào cuối Oligocen. Các quá trình này đã gia tăng các hoạt động tách giãn và đứt gãy ở bể Cửu Long trong Oligocen và nén ép vào cuối Oligocen. Vì thế các đứt gãy điển hình là các đứt gãy dạng gàu xúc, phương Đông Bắc – Tây Nam cắm về phía Đông Nam, một số có phương Đông Tây. Nhiều bán địa hào, địa hào cùng hướng phát triển theo các đứt gãy được hình thành. Các bán địa hào, địa hào này được lấp đầy nhanh bằng các trầm tích
vụn thô, phun trào thành phần bazơ. Trong thời gian đầu tạo bể do chuyển động sụt lún khối tảng, phân dị nên tại các đới trũng khác nhau có thể có các thời kỳ gián đoạn, bào mòn trầm tích với mức độ khác nhau. Do khu vực tích tụ trầm tích và cung cấp trầm tích nằm kế cận nhau nên thành phần trầm tích ở các đới trũng khác nhau có thể khác biệt nhau.
Quá trình tách giãn tiếp tục phát triển làm cho bể lún chìm sâu, rộng hơn. Các hố, trũng trước núi được mở rộng, sâu dần và liên thông nhau và có chế độ trầm tích khá đồng nhất. Các tầng trầm tích hồ dày thuộc hệ tầng Trà Tân được thành tạo với thành phần chủ yếu là sét giàu vật chất hữu cơ màu nâu, nâu đen tới đen. Các hồ phát triển trong các địa hào riêng biệt được liên thông nhau, mở rộng dần và có hướng kéo dài theo phương Đông Bắc – Tây Nam. Đây cũng là phương phát triển ưu thế của hệ thống đứt gãy mở bể. Các trầm tích thuộc hệ tầng Trà Tân dưới có diện phân bố hẹp, thường vắng mặt ở phần rìa bể, phần kề với các khối cao địa lũy và có dạng nêm điển hình, phát triển dọc theo các đứt gãy với bề dày thay đổi nhanh. Trầm tích giàu thành phần sét của hệ tầng Trà Tân giữa được tích tụ sau đó, phân bố rộng hơn, bao phủ trên hầu khắp các khối cao trong bể và các vùng cận rìa bể.
Hoạt động nén ép vào cuối Oligocen muộn đã đẩy trồi các khối móng sâu, gây 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 và tạo nên các cấu trúc “trồi”, các cấu tạo hình hoa, phát sinh các đứt gãy nghịch ở một số nơi như trên cấu tạo Rạng Đông, phía Tây cấu tạo Bạch Hổ và một số khu vực mỏ Rồng. Đồng thời xảy ra hiện tượng bào mòn và vát mỏng mạnh các trầm tích thuộc hệ tầng Trà Tân trên. Sự kết thúc hoạt động của phần lớn các đứt gãy và không chỉnh hợp góc rộng lớn ở nóc trầm tích Oligocen đã đánh dấu sự kết thúc thời kỳ đồng tạo rift.