Structurellement le Bassin d'Aquitaine peut être divisé en deux domaines par un accident tectonique majeur, la flexure nord-aquitaine qui suit la direction NO-SE d'Arcachon à Carcassonne. Elle prolonge la pente continentale nord-aquitaine sur le continent et divise le Bassin d'Aquitaine en province septentrionale et en province méridionale.
La Province septentrionale, appelé aussi Plateau aquitain, représente une plate-forme continentale typique. Elle se caractérise par une sédimentation très réduite et plusieurs phases d'émersion (pendant tout le Crétacé inférieur et plusieurs fois au Crétacé supérieur et au Cénozoïque). Le socle hercynien est rarement plus profond que 2000 mètres. Triassique et Jurassique atteignent ensemble l'épaisseur de 1000 à 1700 mètres. Le Crétacé inférieur manque, le Crétacé supérieur n'a que plusieurs centaines de mètres. Le Paléogène - si présent - est très mince au nord mais gagne en épaisseur au sud ou il est superposé par le Néogène peu épais.
À l'est du Bassin d'Aquitaine on peut distinguer plusieurs ondulations à grande longueur d'onde qui suivent la direction pyrénéenne (ONO-ESE):
La province septentrionale se caractérise par des structures peu compliquées (sillons et haut-fonds, plis de grande longueur d'onde, plis-failles et plis) qui suivent généralement les directions hercyniennes et armoricaines. Ces structures étaient formées pendant plusieurs phases tectoniques:
La Province méridionale est caractérisée par les fosses de subsidence très profondes de Parentis et de l'Adour, séparées par le haut-fond de Mimizan. Comparées avec la province septentrionale les épaisseurs augmentent considérablement (5000 – 11500 mètres). Triassique et Jurassique atteignent ensemble 2000 – 3000 mètres; le Crétacé inférieur varie entre 500 et 1500 mètres, le Crétacé supérieur entre 500 et 3000 mètres et le Paléogène entre 1000 et 3000 mètres; même le Néogène peut toujours atteindre 1000 mètres.
Les mouvements tectoniques ont été beaucoup plus compliqués dans la province méridionale, en plus s'est produite une superposition halocinétique (diapirs de sel du Triassique et du Lias). Malheureusement une grande partie des structures est cachée par le détritus plio-quaternaire. Mais grâce aux forages d'exploration ces structures sont aujourd'hui connues (grosso modo). Comme dans la province septentrionale on retrouve ici les rides anticlinales, mais elles sont plus serrées; en s'approchant aux Pyrénées leur longueur d'onde se raccourcit de plus en plus et les effets halocinétiques augmentent. Les rides ont été formées pendant le soulèvement de l'orogène pyrénéen (Eocène/Oligocène), qui mettait son avant-pays sous compression. Leur organisation structurale s'est terminée au Miocène.
Dans la province méridionale on peut distinguer les rides anticlinales suivantes:
Pendant le Plio-Quaternaire des mouvements isostatiques de réajustement à la bordure nord-est du Bassin d'Aquitaine ont entraîné dans le Massif Central un léger bombement du socle aplani. À l'intérieur du bassin les mouvements ont suivi la structuration hercynienne et ont causé la rotation de quelques surfaces d'aplanissement pliocènes. Ces basculements ont eu une grande influence sur le réseau hydrographique, ainsi dans les versants de l'Adour et de la Garonne des phénomènes de défluviation et déplacement des cours d'eau sont apparus.
Le socle hercynien enfoui par la couverture sédimentaire du Bassin d'Aquitaine peut être subdivisé par les sondages géophysiques en plusieurs zones tectono-métamorphiques suivant généralement la direction NO-SE (du nord vers le sud):
Dans le Bassin d'Aquitaine la profondeur maximale de la Moho de 36 kilomètres suit à peu près la Garonne. En allant vers le Massif central elle s'aplatit lentement jusqu'à 30 kilomètres. De même en s'approchant des Pyrénées, là aussi la Moho se trouve à 30 kilomètres de profondeur. Dans la partie océanique du Bassin de Parentis le Moho se situe seulement à 20 kilomètres de profondeur, indiquant un fort étirement de la croûte continentale. Par contre sous les Pyrénées centrales la Moho est très basse – à 50 kilomètres! Preuve de l'épaississement crustal par l'orogénèse pyrénéenne.