博斯腾湖所在的焉耆盆地属南天山造山带中的山间断陷盆地，地质历史上曾是塔里木古老地块的一个组成部分。它的形成演化历史可追溯到距今8亿年左右的[[前震旦纪]]。距今250万年左右的新第三纪末开始的新构造运动，使该区发生大规模差异性升降，博斯腾湖南缘的老断裂和北缘的新断裂活动强烈，断裂之间的博斯腾湖地区开始强烈沉降，博斯腾湖上游的开都河也因[[大尤鲁都斯盆地]]和焉耆盆地的沉降、两盆地之间准平原的抬升而强烈下切，形成了长达50千米的[[开都河大峡谷]]，加上[[ 开都河]] 源头地区的山体已大多抬升到雪线以上，使大气降水以粒雪冰的形式贮存起来，并长年源源不断地向博斯腾湖供水，博斯腾湖才得以真正形成。

博斯腾湖流域地处封闭的山间盆地——焉耆盆地，地形总趋势，北高南低，自山前向博斯腾湖依次为山前洪积冲积倾斜平原、 [[ 开都河 ]] 三角洲和博斯腾湖盆地。博斯腾湖南边和北边海拔较高，受湖泊水位变化影响较小，而西侧和东侧，对湖泊水位变化响应明显，也就是说博斯腾湖西侧和东侧地势平坦更容易受到湖泊水位变化的影响，而南侧和北侧因为地势较高，受湖泊水位影响较小。