Desenvolveu-se durante parte das eras Paleozoica e Mesozoica, e seu registro sedimentar compreende rochas formadas do Período Ordoviciano ao Cretáceo, abrangendo um intervalo de tempo entre 460 e 65 milhões de anos atrás. A seção de maior espessura, superior a 7000 m, está localizada na sua porção central e é constituída por rochas sedimentares e ígneas. As rochas sedimentares da Bacia do Paraná são ricas em restos de animais e vegetais fossilizados.

A Bacia do Paraná é uma típica bacia flexural de interior cratônico, embora durante o Paleozoico fosse um golfo aberto para sudoeste para o então Oceano Panthalassa. A gênese da bacia está ligada à relação de convergência entre a margem sudoeste do antigo supercontinente Gondwana, formado pelos atuais continentes América do Sul, África, Antártica e Austrália, além da Índia, e a litosfera oceânica do Panthalassa, classificando a bacia, pelo menos no Paleozóico, como do tipo antepaís das orogenias Gondwanides.