Le Grand Bassin est en fait une succession de petits bassins sédimentaires entrecoupés de rides montagneuses. Ces nombreux bassins (on en compte environ 150) correspondent à des grabens et les rides montagneuses à des horsts, délimités par des failles normales, typiques dans une zone de distension. La distension de cette région a été importante (on estime que la surface a été augmentée de plus de 100%). Les failles normales, orientées généralement à 60 °, s'enfoncent profondément dans la croûte continentale.
Des sédiments alluvionnaires se sont ensuite déposés au cours de l'époque Miocène dans les bassins en subsidence sur plusieurs milliers de mètres d'épaisseur.
Pendant le Pléistocène supérieur, un grand nombre des bassins contenait un lac permanent. Deux de ces lacs étaient particulièrement notables du fait de leur superficie :
La faune du Grand Bassin est généralement très discrète et plusieurs espèces sont nocturnes. On peut cependant assister, près des plans d'eau surtout, à de grands rassemblements d'oiseaux. La perdrix choukar, la perdrix grise, le mustang et l'âne sauvage sont des espèces qui ont été introduites dans le Grand Bassin.
Bon nombre des mammifères de cette région sont nocturnes, et donc difficiles à apercevoir.
Les mammifères les plus répandus sont des lièvres (Lepus californicus) et des lapins (Sylvilagus audubonii surtout, mais aussi Sylvilagus nuttalli ou lapin de Nuttall et Brachylagus idahoensis ou Lapin pygmée) ainsi que les coyotes et des écureuils (tamias minimus ou Tamia mineur, Spermophilus townsendii). Le Neotoma lepida ou néotome du désert et les Dipodomys ou rats kangourous (Dipodomys ordii, Dipodomys microps) sont des rongeurs relativement fréquents, mais ils ne sortent que la nuit. Les grands mammifères sont le puma, le pronghorn, le cerf hémione, mais ils sont plus difficiles à observer. Enfin, le wapiti et le mouflon canadien sont beaucoup plus rares dans cette région.
Parmi les principaux oiseaux qui nichent dans le Grand Bassin, on trouve de nombreux rapaces : aigle royal, buse à queue rousse et crécerelle d'Amérique. On peut aussi voir des volées d'Alouette hausse-col (Eremophila alpestris) ou des Grands corbeaux en maraude. Les espèces réellement typiques de la zone à Artemisia tridentata sont généralement généralement plus discrètes, comme Oreoscoptes montanus, Amphispiza belli, ou Centrocercus urophasianus (cette dernière espèce est beaucoup plus facilement repérable lors de ses bruyantes parades nuptiales). Le pélican d'Amérique vit sur les rives du Pyramid Lake dans le Nevada, ou du Grand Lac Salé dans l'Utah.
Les amphibiens, bien que rares, sont présents dans le Grand Bassin. Le crapaud du Grand Bassin (Spea intermontana) forme des colonies autour des plans d'eau temporaires pour y pondre. Ses appels plaintifs peuvent s'entendre à grande distance dans la nuit du désert. On peut aussi rencontrer la Salamandre tigrée (Ambystoma tigrinum), même en plein zone désertique (des individus adultes ont été observés dans des abreuvoirs installés pour le bétail).
Dans les bassins, les petits lézards (Lézard des armoises ou Sceloporus graciosus, lézard léopard ou Gambelia wislizenii, coureur occidental ou Cnemidophorus tigris, lézard de Californie ou Uta stansburiana, ) sont nombreux. Les serpents les plus communs sont la Couleuvre à nez mince du Grand Bassin (Pituophis catenifer deserticola), Masticophis taeniatus, la couleuvre agile à ventre jaune de l’Ouest (Coluber mormon) et le crotale de l'Ouest (Crotalus oreganus lutosus), ce dernier étant le seul serpent venimeux de la région.
Deux espèces de poissons ne vivent que dans le Pyramid Lake et sont menacées d'extinction : le Cui-ui Chasmistes cujus et la truite fardée de Bonneville Oncorhynchus clarki henshawi.
Les Invertébrés les plus faciles à repérer dans cette région sont les sauterelles. Plusieurs espèces sont présentes ; les plus communes sont des Oedipodinae : Trimerotropis pallidipennis, plusieurs espèces du genre Arphia (Arphia conspersa, Arphia pseudonietaba), mais on peut aussi rencontrer la sauterelle mormone, Anabrus simplex, qui sporadiquement se met à pulluler et peut créer de grands ravages, comme en 1848 et 1938. Les Tenebrionidae et les Carabidae sont communs, mais souvent nocturnes et donc peu aisés à observer. Il y a dans cette région plusieurs dizaines d'espèces d'araignées, appartenant à différentes familles : Thomisidae (araignées-crabes), Salticidae (araignées sauteuses), Lycosidae (araignées-loups), Agelenidae et Araneidae.