В геологическом строении о. Сахалин принимают участие палеозойские, мезозойские и кайнозойские отложения, образующие несколько крупных комплексов, каждый из которых соотвествует определенному этапу развития рассматриваемой складчатой системы. Объем комплекса основания не вполне ясен. На западе острова это т комплекс на поверхность нигде не выходит, а на востоке (в пределах внутренней, эвгеосинклинальной зоны) к нему условно относятся толщи палеозойских метаморфических пород, выступающих в ядре Восточно-Сахалинского антиклинория. В состав главного геосинклинального комплекса входят верхнемеловые, палеогеновые и частично миоценовые терригенные формации, которые слагают Западно-Сахалинский синклинорий, а также юрско-нижнемеловые и верхнемеловые вулканогенно-кремнистые и терригенные формации, образующие восточное крыло Восточно-Сахалинского антиклинория и Восточно-Сахалинский (Пиленгский) синклинорий, значительная часть которого погружена под Охотское море. К орогенному комплексу относятся неогеновые и четвертичные континентальные и прибрежно-морские толщи, заполняющие Северо-Сахалинский прогиб, срединно-Сахалинскую (Тымь-Поронайскую) межгорную впадину и ряд более мелких грабенов. Поскольку современные очертания острова Сахалин сформировались в результате голоценовой морской трансгрессии, значительные участки перечисленных прогибов и впадин, а так же другие структуры, образованные формациями орогенного комплекса, располагаются в пределах континентального шельфа и в настоящее время скрыты под уровнем Охотского моря и Татарского пролива.
Комплексом основания внутренней зоны рассматриваемой складчатой системы с известной долей условности можно считать толщу метаморфических пород, обнажающуюся в Сусунайском хребте (восточнее Южно-Сахалинска) и на левобережье р. Поронай. Эта толща представлена графитичтыми и слюдистыми сланцами, филлитома, кварцитами и зелеными сланцами разного петрографического состава.Она имеет общую мощность свыше 3 км, сложно дислоцирована и отделена от более молодых отложений разломами. Возраст этой толщи ранее-среднепалеозойский.
Геосинклинальный комплекс внутренней зоны Хоккайдо-Сахалинской складчатой системы представлен типичными эвгеосинклинальными формациями: кремнисто-сланцевой, граувакковой, терригенной флишоидной и вулканогенно-кремнистой. Они имеют суммарную мощность до 15 км. В их составе можно выделить три структурных этажа: верхнепалеозойский, мезозойский (доверхнемеловой) и верхнемеловой-палеогеновый.
Нижний (верхнепалеозойский) структурный этаж представлен толщей граувакковых песчаников, кремнистых пород, туфов, спилитов, андезитовых порфиров, кератофиров, и известняков видимой мощностью до 1000 м. Средний (триасово-нижнемеловой) структурный этаж образован кремнисто-глинистыми сланцами, яшмами, туфами, спилитами и диабазами, а также залегающими на них терригенными отложениями с линзами туффитов, гравелитов и конгломератов общей мощностью до 4 км. Верхний структурный этаж представлен свитами ритмично переслаивающихся терригенных пород, а так же толщей кремнистых алевролитов, туфопесчаников, туфов, эффузивов среднего и соновного состава, крменистых яшмовидных пород и изветсняков.
Орогенный комплекс представлен слабо сцементированными песчаниками, алевролитами, аргиллитами и глинами с прослоями и линзами гравелитов и конгломератов. Среди плиоценовых отложений Западно-сахалинского прогиба присутствуют покровы базальтов и андезито-базальтов и горизонты туфов основного и среднего состава. В континентальных отложениях встречаются прослои углистых аргиллитов и пласты бурых углей. В северной части Северо-Сахалинского прогиба континентальные толщи неогена замещаются морскими отложениями, содержащими залежи нефти и газа. Мощность орогенного комплекса достигает 3-6 км.
Наибольшее значение имеют здесь месторождения горючих полезных ископаемых, приуроченных как к главному геосинклинальному (уголь), так и к орогенному (нефть, газ, уголь) комплексам.
