В геолого-структурном отношении большая часть территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры находится в пределах Западно-Сибирской эпигерцинской плиты, крайняя западная часть Ханты-Мансийского автономного округа - Югры охватывает восточный склон Уральской горно-складчатой области.
В разрезе Западно-Сибирской плиты, входящей в состав Центрально-Евразиатской молодой платформы, выделяются три структурных этажа: складчатый фундамент, промежуточный и осадочный чехлы.
Складчатый фундамент гетерогенный, на большей части плиты - герцинский (палеозойской консолидации); на востоке - байкальский (докембрийская складчатость является погребенным продолжением Сибирской платформы). По поверхности фундамента выделяется 6 крупных разновозрастных геоблоков. Внутри каждого блока - антиклинории, синклинории. Блоки осложнены срединными массивами разных размеров с выходами на поверхность фундамента преимущественно верхнепротерозойских метаморфических пород и грабенами разной протяженности. Блоки разделены глубинными разломами, на востоке - двумя крупными грабен-рефтовыми системами. Блоки отличаются историей развития в мезозойско-кайнозойское время, строением разрезов осадочного чехла и характером нефтегазоносности. Фундамент сложен метаморфическими и магматическими породами. Глубина залегания подошвы фундамента или кровли верхней мантии меняется на территории от 32 до 42 км. Наиболее высокое положение занимает Обь-Иртышское междуречье (34 - 36 км), Фроловский и Вахский геоблоки (34 - 36 км). В Среднем Приобье кровля верхней мантии не опускается ниже 42 км. Наибольшее погружение кровли верхней мантии наблюдается вблизи Уральской складчатой системы - около 50 км.
Промежуточный структурный этаж сложен вулканогенно-осадочными комплексами пород, являющимися переходными от геосинклинальных к платформенным образованиям. На участках догерцинской консолидации он сложен терригенно-карбонатными и вулканогенными породами среднего и нижнего палеозоя толщиной до 2 - 3 км. На значительной территории на фундаменте залегают терригенно-вулканогенные породы пермо-триаса, они заполняют грабены или образуют покровы. Крупное базальтовое плато толщиной 1 - 2 км выявлено в районе Сургутского свода. В платформенном осадочном чехле выделяются следующие тектонические элементы. В центральной части плиты в пределах Среднеобского блока фундамента выделяются два свода - Сургутский и Нижневартовский, на которых открыты крупные скопления нефти.
Сургутский свод субмеридионального простирания осложнен валами, прогибами, террасами, выступами. Свод имеет две вершины: Когалымскую и Федоровскую. Мощность осадочного чехла меняется в пределах свода от 2,7 до 3,3 км. На севере Сургутский свод переходит в Северо-Сургутскую мегатеррасу, подошва чехла погружается до глубины 3,85 км.
Нижневартовский свод - северо-западного простирания, осложнен валами: Самотлорским, Покачевским, Мегионско-Покурским, Ларьеганским, Былинским, Ермаковским, которые разделяются ложбинами и прогибами. На северо-западе Нижневартовский свод переходит в Северо-Вартовскую мегатеррасу, вытянутую в субширотном направлении и осложненную валами, прогибами и моноклиналями. К северо-востоку от Нижневартовского свода выделяются два мегавала: Варьеганский и Тагринский, два мегапрогиба - Пякупурский и Тюменский. Частично на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры заходит Вэнгапурский мегавал. На всех мегавалах открыты крупные по запасам нефтегазовые месторождения. К югу от Среднеобского блока фундамента выделяется Юганская мегавпадина широтного простирания и асимметричного строения. Внутреннее строение ее сложное, в контуре выделяются две впадины - Фаинская и Кулунская с глубиной подошвы осадочного чехла 3,5 - 3,7 км, два прогиба и Южно-Киняминский вал. Основные запасы нефти связаны в Юганской впадине с юрскими отложениями и структурами, интенсивно формировавшимися в юре. К западу от Юганской мегавпадины и Сургутского свода на территории Фроловского геоблока выделяется Фроловская мегавпадина меридионального простирания. Она отделяется от Юганской мегавпадины двумя мегавалами - Верхнесалымским и Салымским, соединяющимися между собой и с Сургутским сводом седловинами. Мегавалы имеют разное простирание: Салымский - северо-восточное, Верхнесалымский - северо-западное. На обоих мегавалах открыты залежи нефти в нижнем мелу, верхней и средней юре. Структуры, осложняющие эти мегавалы, интенсивно развивались в раннем мелу, имели унаследованный характер развития.
Осадочный чехол Фроловской мегавпадины нарушен многочисленными протяженными разломами, наиболее часты нарушения субмеридионального простирания. Внутри мегавпадины выделяются три впадины: Ханты-Мансийская, Тундринская и Вынглорская, серия прогибов и две дугообразные системы валов и террас. Подошва осадочного чехла в мегавпадине залегает на глубине до 3,5 - 4,0 км. В восточных и юго-восточных частях мегавпадины открыты крупные залежи в готеривских отложениях. Интенсивный рост локальных структур происходил в юрское и готеривское время. Структуры преобладают малоамплитудные (20 - 30 м). К западу от Фроловской мегавпадины прослеживаются два свода - Красноленинский и Полуйский. Красноленинский свод ограничен на востоке и северо-востоке глубинными разломами. Внутри свода выделяются две вершины - Ем-Еговская и Каменная, разделенные прогибами. Южные, юго-восточные склоны осложнены террасами, моноклиналями, выступами; северный склон - Рогожниковским валом. Глубина залегания подошвы осадочного чехла на своде 2,3 - 2,0 км. К югу Красноленинский свод переходит в Сагомскую моноклиналь, которая сменяется Шугурской мегатеррасой и Карабинской моноклиналью. Глубина подошвы фундамента меняется от 2,5 до 3 км. На юге, юго-востоке Красноленинский свод сочленяется сложной седловиной с Шаимским, Сергинским и Турсунским мегавалами. Два последних мегавала - новые тектонические элементы. Они имеют северо-восточное простирание. На всех мегавалах открыты месторождения нефти в юре. Основной этап роста локальных структур на мегавалах связан с юрским временем. Структуры приурочены к выступам фундамента, вверх по разрезу они выполаживаются и переходят в моноклинали. Мегавалы и свод разделяются мегапрогибами. К западу от Сергиевского мегавала прослеживается Шеркалинский мегапрогиб, к северу - Бобровский. Последний разделяет Родомский мегавал и Полуйский свод, которые седловинами соединяются с Сергинским мегавалом. Простирание всех перечисленных тектонических элементов северо-восточное, уральское.
Крайняя западная территория Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, где на многих тектонических картах выделяется внешний тектонический пояс, имеет сложное строение и характеризуется неравномерным погружением от Уральской герцинской складчатой системы к Фроловской мегавпадине. С запада на восток параллельно Уралу прослеживаются Саранпаульская моноклиналь, Ляпинский мегапрогиб, Висимский мегавал (южная часть единой Висимско-Хошгорской гряды и Березовская моноклиналь). Под мезозойский осадочный чехол на гряде выходят протерозойские метаморфические породы. Простирание Березовской моноклинали на север ограничено Чуэльским выступом. Осадочный чехол погружается в пределах территории от нескольких десятков метров до 1,5 - 2,3 км. Структуры приурочены к древним выступам фундамента, они являются поднятиями облекания или слаборастущими в юрское время. Амплитуды структур и размеры их небольшие (около 50 м). К востоку от шовной зоны, представляющей собой по фундаменту грабен-рифт, выделяются Александровский (только его северная часть) и Бахиловский мегавалы, соединенные Хохряковской седловиной. Мегавалы интенсивно нарушены разрывами северо-восточного простирания. Максимальная плотность нарушений наблюдается в южной части Бахиловского мегавала.
К востоку от перечисленных мегавалов, отделяясь от них Ларьеганским мегапрогибом, два мегавала, Верхнекаралькинский и Пылькаралькинский, образуют дугообразную систему, к востоку от которой выделяются два мегапрогиба (Касский, Корликовский) и Каралькинский выступ.
Разрез осадочного чехла толщиной до 3,5 - 4 км сложен терригенными породами юрского, мелового, палеогенового и четвертичного возрастов. Юрские отложения несогласно залегают на триасовых или палеозойских породах. Длительность перерыва достигает 50 - 60 млн. лет. Нижнеюрские отложения развиты неповсеместно, толщина их в погруженных участках 250 - 300 м. Они объединяются в Шеркалинскую, Горелую, Котухтинскую и Худосейскую свиты.
Накопление осадочных пород на большей части территории началось с тоарского, в погруженных частях - с плинсбахского, редко - с гетанг-синемюрского веков. При седиментации большую роль играли внутренние источники скоса - антиклинории; их длительное разрушение способствовало заравниванию рельефа. Осадки накапливались в морских заливах и прибрежных равнинах. В разрезе нижней юры прослеживаются две существующие глинистые пачки: тогурская и радомская, которые являются покрышками для залежей нефти и газа и одновременно нефтегазогенерирующими толщами, содержание углерода органически в них меняется от 2 до 19%. Коллекторы имеют высокие коллекторские свойства, вмещают залежи нефти, газоконденсата. Среднеюрские отложения (Тюменская свита) сложены существующими континентальными отложениями, для них характерны: большая углистость разреза (10 - 15 прослоев углей толщиной до 3 - 5 м), сильная изменчивость коллекторов и в целом невысокие коллекторские свойства пород, невыдержанность глинистых покрышек. Основные залежи нефти открыты в верхней части разреза - пластах Ю2-3.
Верхняя часть разреза, Баженовская свита и ее аналоги, повсеместно представлена морскими фациями. На большей части территории она сложена кремнисто-карбонатно-глинистыми битуминозными породами. К этим отложениям приурочен основной сейсмический отражающий горизонт "Б". Средняя мощность Баженовской свиты 20 - 30 м. На отдельных участках среди битуминозных пород появляются небитуминозные песчано-алевролито-глинистые, и общая мощность увеличивается до 100 - 200 м. Они вмещают скопления нефти. Такие разрезы Баженовской свиты называют аномальными.
В восточном и западном районах баженовские битуминозные породы замещаются слабо-битуминозными аргиллитоподобными глинами Марьяновской, Мулымьинской и Даниловской свит. В битуминозных породах, тонколистоватых разностях открыты залежи нефти, а содержание углерода органически достигает 25%, породы характеризуются повышенной радиоактивностью. Основными продуктивными отложениями в верхней коре являются песчано-алевролитовые породы келловей-оксфордского возраста (Васюганская и Наунакская свиты) и келловей-оксфорд-кимериджского (Вогулкинская толща) - на западе. В разрезах, где эти отложения полностью замещаются глинами и выделяется Абалакская свита, коллекторами нефти являются тонкие прослои (до 2 - 3 м) трещиновато-кавернозных карбонатных пород. Неокомский разрез представлен берриасским, валанжинским, готеривским и барремским ярусами. Особенностью разреза является широтный характер изменений его литолого-фациального состава и строения, что обусловлено изменением обстановки и динамики седиментации в этом направлении.
С востока на запад происходила регрессия Неокомского моря во времени. На восток море ушло раньше, и в разрезе неокома преобладают континентальные и прибрежно-морские отложения. На западе море существовало практически в течение всего неокома, наиболее глубоким оно было в центре Фроловской мегавпадины, где неоком сложен глинами Фроловской свиты. На западе в ранние этапы неокома происходило некомпенсированное осадками прогибание. На рубеже барремского и аптского веков на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры происходили перерыв в седиментации, размыв, формирование коры выветривания. Раннеаптские отложения образуют с нижележащими отложениями неокома единый неокомской НГК. В нижнеапт-барремских отложениях открыты крупные скопления нефти и газа в пластах АВ1-3 на месторождениях Нижневартовского свода, где они экранируются глинами толщиной 20 - 50 м.