Le fond du bassin est développé sur des pyroclastites sénoniens et des sédiments sablo-argileux du Pliocène, recouverts de cônes déluvials et alluviaux.
Le remplissage néogène est divisé en quatre formations lithostratigraphiques : la formation terrigène bariolée (*Variegated Terrigenous Formation*), la formation de Gnilyane (*Gniljane Formation*), la formation de Novi Iskar (*Novi Iskar Formation*) et la formation de Lozenec (*Lozenetzka Formation*)[1].
L'épaisseur des sédiments varie de 10 m sur les bordures à plus de 1400 m dans la partie centrale[1].
La formation morphologique du bassin de Sofia est liée au développement de la structure du graben de Sofia, délimitée au nord et au sud par des failles. Au Pliocène et au Quaternaire, des mouvements tectoniques négatifs ont bloqué le cours de la rivière Iskar et transformé la plaine en un grand lac, qui s’est progressivement asséché après que l’Iskar ait percé le massif du Grand Balkan et créé son lit actuel[1].
Le bassin renferme plusieurs couches de lignite, particulièrement dans les formations de Gnilyane et de Lozenec. Leur épaisseur atteint localement 20 m[2].
Les analyses pétrographiques montrent une prédominance de macéraux du groupe huminite (textinite, ulminite), avec des macéraux de liptinite (suberinite, sporinite) et une proportion plus faible d’inertinite[2].
Le bassin de Sofia est également connu pour ses riches dépôts paléontologiques. Le musée de paléontologie de l’université de Sofia expose notamment un remarquable spécimen de Deinotherium datant d’environ 10 millions d’années[3].
Des fossiles d’Hipparion, de mammouths, de mastodontes, de rhinocéros anciens, de girafes, de sangliers, d’hyènes ou encore de chauves-souris ont également été mis au jour[3].
