Im mittleren und nordwestlichen Teil Thüringens wird das Thüringer Becken durch eine flache Senke gebildet, die über paläozoischen Gesteinen liegt. Das Thüringer Becken umfasst rund 13.200 km2 der deutschen Landfläche. Als Teil des Mitteleuropäischen Beckensystems stellt es eines seiner intrakratonalen (Teil-)Becken dar.
Oberhalb eines paläozoischen Grundgebirges (Kambrium bis Oberkarbon) enthält die Beckenfüllung mit einer Mächtigkeit von bis zu etwa 2 km hauptsächlich Sedimente aus dem Unterperm bis zur Trias (mit Keuper-Sedimenten darüber; s. Abb. 1).
Die heutige Mächtigkeit der permischen Zechstein-Evaporite beträgt etwa 60 bis 800 m, die triassischen Buntsandsteinvorkommen weisen eine Mächtigkeit von 540 bis 780 m auf. Der triassische Muschelkalk erreicht Mächtigkeiten zwischen 220 und 300 m, lokal treten Keupersedimente mit Mächtigkeiten zwischen 470 und 640 m auf. Im westlichen Teil des Beckens sind sehr lokal Ablagerungen aus dem Unterjura und der Kreidezeit vorhanden.
Das Thüringer Becken ist durch mehrere NW-SO-streichende Störungszonen gekennzeichnet. Bereiche mit größeren Mächtigkeiten deuten auf die Salztektonik des Zechsteins hin, die die Entwicklung des Sedimentsystems beeinflusste. Der durchschnittliche geothermische Gradient beträgt < 31 °C pro km Tiefe.
Poröse und durchlässige Grundwasserleiter werden vor allem in mesozoischen Sedimentgesteinen des Thüringer Beckens nachgewiesena. Geothermische Wärmegewinnung aus dem Mittleren Buntsandstein (Hardgesen-Formation) und dem Unteren Buntsandstein (Bernburg-Formation), wird für Thermalbäder bereits erfolgreich eingesetzt.
Geothermisch relevante Sedimente aus dem Känozoikum fehlen.