Со среднего девона начался следующий этап общих погружений, с которыми связаны заложение новых и обновление ранее существовавших систем геосинклинальных прогибов на Урале, Алтае, Кавказе, в Тянь-Шане, Забайкалье и на Дальнем Востоке. Обширные океанические бассейны на месте Урало-Монгольского, Средиземноморского и Тихоокеанского поясов были глубоко погружены; только отдельные гряды островов в зонах раннепалеозойской складчатости располагались выше уровня океана. На платформах начинается обособление главнейших современных прогибов (синеклиз) и поднятий (антеклиз), накапливаются преимущественно морские терригенно-карбонатные, карбонатные и соленосные отложения среднего и верхнего девона. Образование структур сопровождалось внедрением по разломам основной и щелочной магмы. В ряде районов проявился активный базальтовый магматизм. В горных областях Казахстана, Южной Сибири, С.-В. Азии (на месте некоторых участков платформ, байкалид, салаирид и каледонид) сформировались крупные наложенные впадины и унаследованные прогибы, которые заполнялись продуктами разрушения горных хребтов — красно-цветной вулканогенно-обломочной и обломочной молассой (Минусинские, Рыбинская, Тувинская котловины и др.). Образование межгорных впадин и подъём разделяющих их хребтов сопровождались излияниями кислой и основной магмы повышенной щёлочности. Девонские щелочные интрузии известны также на Восточно-Европейской и Сибирской платформах, в областях байкальской, салаирской и каледонской складчатости. Вулканогенные породы накапливались во многих геосинклинальных девонских прогибах. В разрезе девонских отложений на платформах и во впадинах широко распространены соленосные и пестроцветные терригенные толщи, свидетельствующие об аридных условиях.
В начале каменноугольного периода унаследованно развивались структурные элементы, заложившиеся в девоне. Однако климат становился гумидным, о чём свидетельствуют распространённые на обширных площадях углесодержащие серии (Восточно-Европейская платформа, Урал, Казахстан).
Большая часть Сибирской платформы (Тунгусская синеклиза) представляла собой озёрно-болотную равнину; подобные условия, сохранявшиеся здесь до конца пермского периода, привели к формированию огромных запасов углей в верхнепалеозойских отложениях Сибирской платформы. В позднем палеозое здесь начинаются вулканические извержения. На Восточно-Европейской платформе сохранялись морские условия и накапливались белые известняки и доломиты. Обломочные толщи появляются по краям платформы — в Приуралье, Донбассе.
В пермском периоде происходило постепенное сокращение площади морского бассейна на платформе. Благодаря аридному климату широкое распространение получили гипсы, доломиты, каменная соль, пестроцветные глины и песчаники. Дальнейшие поднятия в конце пермского периода привели к смене хемогенных осадков обломочными красноцветными. Обломочный материал поступал на платформу с территории смежных геосинклинальных поясов (Урало-Монгольского, Средиземноморского), испытавших в это время общее поднятие. Происходило внедрение крупных массивов гранитоидов на Урале, Кавказе, Тянь-Шане, в Казахстане, на Алтае и в других районах. Внутри геосинклинальных областей и по их внешним краям обособились крупные впадины (межгорные и предгорные), которые заполнялись угленосными толщами большой мощности (впадины Предуральского прогиба, Карагандинская, Кузнецкая и др.). Одновременно оформился особый тип платформенных впадин — глубоко прогнутых, с крутыми краями и плоским днищем (Тунгусская, Прикаспийская).
В конце палеозоя на площади Урало-Монгольского пояса замыкаются океанические бассейны, следы которых сохранились в виде зон с зажатыми в разломах блоками океанической коры (офиолитовые зоны) на Урале, в Восточном Казахстане, Южном Тянь-Шане и др. Отдельные блоки материковой коры на территории современной Восточной Европы, Сибири, Казахстана и Киргизии объединились в единый материковый массив. Вдоль его южного края, на границе с Палеотетисом, развился широтный окраинно-материковый вулканический пояс. В это время области каледонид, салаирид, байкалид испытали повторное горообразование в результате тектонической активизации; в их пределах развиты впадины с молассой среднего карбона — перми. Многие позднепалеозойские впадины унаследовали положение девонских впадин. В геосинклинальных областях Тихоокеанского пояса в среднем карбоне — перми господствовали морские условия. Поднятиями в перми были охвачены небольшие участки.
В начале триаса большая часть территории СССР представляла собой сушу. На Сибирской платформе, в Кузбассе, в Печорской впадине, на Западно-Сибирской плите и в других областях характерно проявление активного раннесреднетриасового вулканизма, приведшего к образованию сибирских траппов. На Восточно-Европейской платформе (в Московской, Прикаспийской синеклизах и Днепровско-Донецкой впадине) происходило накопление красноцветных континентальных толщ. Морские бассейны занимали Предкавказье, Ю. Прикаспийской синеклизы, З. Туранской плиты, северо-восточные районы материка (Таймыр, Верхоянье, Чукотку). В позднем триасе начался новый этап погружений, который привёл к обособлению геосинклинальных прогибов в Крымско-Кавказской области, обновлению прогибов в Сихотэ-Алине, на Памире; началось общее прогибание на платформах.
На Восточно-Европейской платформе в юрский и меловой периоды формируется несколько новообразованных впадин, наложенных на более древние палеозойские прогибы и поднятия. Относительно устойчивый морской режим сохранялся в южных областях, затопленных водами океана Тетис; северные районы современной Европейской части страны были погружены под уровнем моря в позднеюрскую эпоху. Несколько трансгрессий бореального моря произошло в меловом периоде в Московскую синеклизу, в Печорскую впадину. Западно-Сибирская плита в юрский и меловой периоды была занята огромным заливом бореального моря, в котором накапливались песчано-глинистые и глинисто-кремнистые толщи. Внешними шельфовыми морями океана Тетис были затоплены Скифская и Туранская плиты, на которых наряду с терригенными были широко распространены карбонатные осадки (верхняя юра, верхний мел). Наибольшим погружением характеризовалась южная часть Туранской плиты; северные районы плиты к В. от Аральского озера в юрское — раннемеловое время развивались в условиях суши. Только в результате наиболее крупной позднемеловой трансгрессии была затоплена северо-восточная часть Туранской плиты и через Тургайский пролив установилась связь Северного и Южного бассейнов. Северо-восточные и восточные районы территории СССР в это время были заняты бореальными морями с песчано-глинистым типом осадконакопления. Сибирская платформа по северо-восточному краю омывалась морем, которое проникало в Вилюйскую синеклизу. Южный и центральный районы платформы, складчатые области Южной Сибири, Алтая, Казахстана, Тянь-Шаня, Забайкалья представляли собой сушу, в отдельных впадинах которой накапливались юрские угленосные толщи. Местами они достигают огромной мощности и содержат большие запасы углей (Чульманская, Иркутская, Канская и др.). На рубеже юрского и мелового периодов на С.-В. территории СССР, в Забайкалье, на Алданском щите, на Памире проявлялись горообразовательные движения, сопровождавшиеся кислым интрузивным магматизмом. В конце позднеюрской — в раннемеловую эпоху существенно увеличивается площадь материкового блока на С. Евразии за счёт замыкания геосинклинальных прогибов на территории современной С.-В. Азии и причленения к Сибирской платформе крупных срединных массивов — Охотского, Омолонского, Колымского и др. Перед фронтом воздымающихся мезозоид оформился Предверхоянский прогиб, заполненный угленосной молассой. Многочисленные межгорные прогибы с угленосными толщами образовались внутри мезозоид. После общих поднятий в конце раннего мела область современной Камчатки, Корякского нагорья, Сахалина испытала активное погружение; по восточному краю бывшего континента, сохранившего приподнятое положение, по зонам крупнейших глубинных разломов в меловом периоде происходили активные излияния андезитовой магмы, внедрение кислых интрузий вдоль т. н. Охотско-Чукотского окраинно-материкового вулканического пояса.
