В пределах синеклизы выделяется ряд осложняющих ее структур. Наиболее крупными из них являются две впадины — Кемпендяйская и Линденская. Они приурочены к осевой части синеклизы. В Кемпендяй-ской впадине наблюдается ряд диапировых складок — Кемпендяйские дислокации. Это соляные купола. Соль, слагающая ядра этих складок, имеет предположительно нижнекембрийский возраст. Эта синеклиза заложилась еще в кембрийское время как крупный поперечный прогиб в фундаменте Сибирской платформы. В мезозое она развивалась в тесной связи с Приверхоянским предгорным прогибом, с которым она постепенно сливается в низовьях Вилюя. Свои современные очертания она приобрела в юрское и меловое время.
В фундаменте Вилюйской синеклизы лежат байкальские складчатые сооружения. Чехол сложен толщей палеозойских и мезозойских отложений, мощность которых увеличивается в северо-восточном направлении до 8 км.