Устюрт расположен на Туранской плите. Фундамент его сложен палеозойскими породами. Эти породы покрыты мезозойскими и кайнозойскими отложениями, толщина которых достигает 3-4,5 км. Плато Устюрт поднялось в киммерийскую эпоху горообразования, затем разрушилось и покрылось морем. В конце неогена оно снова стало сушей.
