В основании Западно-Сибирской равнины лежит Западносибирская плита. На востоке она граничит с Сибирской платформой, на юге - с палеозойскими сооружениями Центрального Казахстана, Алтая и Салаирско-Саянской области, на западе - со складчатой системой Урала. Северная граница плиты неясна, она покрыта водами Карского моря.
В основании Западносибирской плиты находится палеозойский фундамент, глубина залегания которого составляет, в среднем, 7 км. Наиболее древние докембрийские и палеозойские горные породы в Западной Сибири выходят на поверхность лишь в горных районах ее юго-востока, в то время как в пределах Западно-Сибирской равнины они скрыты под мощным чехлом осадочных пород. Западно-Сибирская равнина - молодая погружающаяся платформа, скорость и величина погружения отдельных участков которой, а следовательно, и мощность чехла рыхлых отложений, весьма различны.
Образование Западносибирской плиты началось в верхней юре, когда в результате обламывания, разрушения и перерождения огромная территория между Уралом и Сибирской платформой опустилась, и возник огромный седиментационный бассейн. В ходе своего развития Западносибирская плита не раз захватывалась морскими трансгрессиями. В конце нижнего олигоцена море покинуло Западносибирскую плиту, и она превратилась в огромную озерно-аллювиальную равнину. В среднем и позднем олигоцене и неогене северная часть плиты испытала поднятие, которое в четвертичное время сменилось опусканием. Общий ход развития плиты с опусканием колоссальных пространств напоминает не дошедший до конца процесс океанизации. Эта особенность плиты подчеркивается феноменальным развитием заболоченности.
Остается много неясного и спорного в вопросах о характере, размерах и количестве древних оледенений этой территории. Считается, что ледники занимали всю северную часть равнины к северу от 60o с.ш. Вследствие континентальности климата и небольшого количества осадков ледники на Западно-Сибирской равнине были маломощны, малоподвижны и не оставляли после себя мощных моренных накоплений.
Озеро заполняет трещину в земной коре на южном конце Великой Рифтовой долины, вследствие чего оно вытянуто в меридиональном направлении и имеет 584 км в длину, его ширина варьируется от 16 до 80 км. Поверхность озера лежит на высоте 472 м над уровнем моря, его площадь — 29 604 км²[2], средняя глубина 292 м, максимальная — 706 м, то есть самые глубокие места озера находятся ниже уровня моря. Общий объём озера 8400 км³. Глубины постепенно увеличиваются с юга на север, где обрывистые склоны гор, окружающих озеро, углубляются прямо в воды озера. В других местах побережья горы, возвышающиеся по краям рифтовой долины, отделяются от озера широкой прибрежной равниной; в местах впадения в озеро больших рек прибрежная равнина расширяется и соединяется с речными, углубляясь внутрь горных массивов. В результате рельеф береговой линии варьируется от скалистых обрывистых берегов до пространных пляжей. Особенно широки прибрежные равнины на северо-западе, где в озеро впадает река Сонгве, а также в южной части побережья.
Дно озера представлено толстым слоем осадочных пород, местами до 4 км толщиной, что свидетельствует о большом возрасте озера, который оценивается минимум в несколько миллионов лет.
Основную часть бассейна озера занимают нагорья и горы, которые являются границами рифтовой долины. Самые высокие из них — горы Ливингстона на северо-востоке (до 2000 м) и плато Ньика и горы Випья и Чималиро на северо-западе и возвышенность Дова на западе; на юге местность постепенно понижается. Озёрный бассейн значительно шире к западу от озера. На востоке горы подступают вплотную к воде, и бассейн сужается, расширяясь лишь на северо-востоке благодаря реке Рухуху, которая прорезает горы Ливингстона.