Esta provincia se encuentra ubicada, desde el punto de vista geológico, entre dos macizos: el macizo Nordpatagónico o de Somun Cura y el macizo del Deseado.

Chubut posee una historia geológica compleja. Movimientos de ascenso y descenso -movimientos epirogénicos- afectaron a grandes áreas continentales, seguidos por transgresiones y regresiones marinas que depositaron abundantes

Fuente: Chubut y sus minerales. N. Arias

sedimentos continentales y marinos, alternadamente.
Estos sedimentos son los que rellenan la cuenca del Golfo San Jorge. El área total que abarca esta cuenca se estima en unos 200.000 Km2, de los cuales 70.000 Km2 (35%) tienen interés petrolero. Se trata de una fosa tectónica o graben originada como consecuencia de la deriva continental -divergencia o extensión de las placas litosféricas-. Esta deriva provoca fallas en la corteza terrestre de modo tal que los bloques fallados bajan generando una fosa. Esta cuenca se encuentra alargada en sentido este-oeste.


Fuente: Atlas de Geología. M. Font-Altaba y A. San Miguel

A fines de la era Mesozoica -65 millones de años-, y con una intensa actividad volcánica, se plegaron y levantaron los Patagónides.
Los movimientos andinos originaron fallas que dislocaron en bloques a la zona montañosa. Algunos de estos bloques se elevaron formando cordones serranos y otros se hundieron dando lugar a depresiones rellenas por hielo durante la Glaciación Pleistocena -era Cuaternaria-. Esta glaciación cubrió la cordillera y parte de las mesetas.
Al retirarse los glaciares dejaron formados los grandes lagos cordilleranos, hoy conocidos como Lago Fontana, Lago Futalaufquen, Lago Menéndez, etc.

Simultáneamente el este de Chubut también sufrió fracturamiento con ascenso y descenso de bloques, dando por resultado el típico paisaje patagónico: mesetas y sierras -bloques altos- que alternan con bajos y cuencas lacustres -bloques bajos- Por ejemplo, el bajo de Sarmiento, que aloja a los lagos extraandinos más grandes, el Musters y el Colhué Huapi.

Además de los efectos tectónicos, el relieve fue modelado por acción de los ríos y el viento.
Las mesetas presentan la característica de escalonarse en forma descendente de oeste a este. Pueden estar cubiertas por lava basáltica -que extruyó durante la era Terciaria y Cuaternaria- o por rodados tehuelches -de origen fluvio-glacial y relacionados con la glaciación que afectó a la cordillera patagónica desde el período Plioceno al Holoceno-.