По мнению симбирского геолога П.М.Языкова, бассейн образован песчано-глинистыми осадками древнего (постплиоценового – четвертичного) Каспия.

По современным представлениям, сложен речными и озерными осадками неогеновой и четвертичной систем мощностью до 350 м. Лишь в верхних частях неогеновой толщи прослеживается маломощный (10-15 м) слой морских отложений.

Находки в этом слое солоновато-водных арало-каспийских раковин послужили основанием для выделения бассейна, название которого связано со столицей древней Булгарии.

Впервые представление о бассейне П.М.Языков изложил в письме (1841) известному британскому геологу и путешественнику Р.Мурчисону.