울릉 분지는 일본 분지, 야마토 분지와 더불어 마이오세 화산호 배후에서 확장에 의해 형성된 배호분지이다. 울릉 분지 남부 대륙붕은 전진 구축하는 삼각주 퇴적층이 해침 퇴로 겹겹이, 두께 10km 이상으로 쌓여 조성되었다. 층서는 12.5 Ma와 6.3 Ma 부정합면으로 구분되는 3개의 순차층군으로 구성된다. 하부 층군은동해가 열리고 지속적인 침강으로 해침 우세 환경에서 퇴적되고, 12.5 Ma 남부에 습곡-단층대를 형성시킨 압축구조 운동으로 해퇴 우세로 바뀌는 대변화가 일어났으며, 6.3 Ma 부정합면을 경계로 융기 지역들이 평탄화되고, 침강하면서 해진 우세 환경으로 되돌아가게 된다. 근원암은 확실치 않으나 하부의 분지 퇴적상 및 전 삼각주셰일이 유력하다. 삼각주 전면 및 평원에서 퇴적된 공극률이 양호한 사암이 대륙붕 경사층형의 표면층으로 널리분포하여 저류암을 형성한다. 심해에서 퇴적된 저탁류에도 저류에 적합한 사암의 빈도가 높다. 덮개암은 해침성셰일과 전 삼각주 셰일이다. 탄화수소의 트랩은 북동-남서 및 남-북 방향의 습곡이 구성한다. 분지의 심부에서 석유 부존을 지시하는 지구물리적 이상이 흔하게 관찰된다.
울릉 분지는 일본 분지, 야마토 분지와 더불어 마이오세 화산호 배후에서 확장에 의해 형성된 배호분지이다.