سابقه مطالعات زمین‌شناسی تالاب گاوخونی به مطالعات آقای سودر برمی‌‌گردد که در سال 1954 اولین نقشه زمین‌شناسی اصفهان تا گاوخونی را منتشر کرد. از آنجا که مطالعه زمین‌شناسی تالاب گاوخونی جدای از مطالعات تکوینی، چینه‌شناسی، سنگ‌شناسی جغرافیای گذشته و عوامل چهره‌ساز آن و محیط‌های رسوب‌گذاری حوضه زاینده‌رود (به عنوان بخشی از حوضه آبخیز اصفهان، سیرجان) نیست. در اغلب مطالعات و بررسی‌های انجام شده تالاب گاوخونی به عنوانی سطح اساس این حوضچه در کنار بخش‌های دیگر آن مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
دره زاینده‌رود از شمالی‌ترین بخش حوضه‌ی آبریز اصفهان- سیرجان سرچشمه گرفته و با مسیری در جهت شمال غرب- جنوب شرق و با مسافتی در حدود 300 کیلومتر تمام حوضه مزبور را قطع و بالاخره در فرو رفتگی موجود در بخش شرقی حوضه (گاوخونی) پایان می‌پذیرد این حوزه در حقیقت زهکش‌گیری از آبراهه‌هایی است که بزرگترین آن زاینده رود است. اگرچه سطح اساس آن را گاوخونی قلمداد می کنیم، ولی امتداد حوضه تا حوالی سیرجان ادامه می‌یابد و از نظر ارتفاعی از همه حوزه‌های آبخیز از جهت اصلی زاگرس پیروی کرده و در حقیقت بین دو پدیده تکتونیکی بسیار مهم یعنی گسل زاگرس در غرب و گسل قم- زفره در شرق لحاظ شده است .
جعفریان (1978- 1973) با مطالعه زمین‌شناسی دره زاینده‌رود و گاوخونی مشخص می‌کند که نهشته‌های متنوع رسوبی- آذرین و دگرگونی دره زاینده‌رود از آبخیز تا آبریز با ضخامتی در حدود 5 تا 7 هزار متر و در زمانی معادل 750 میلیون سال، 4 فاز کوهزایی اصلی بایکالی- کالدونی- هرسی‌نین- آلپی، مشتمل بر 12 مرحله کوهزاییی و خشکی‌زایی کاملاً قابل تفکیک و چندین مرحله فعالیت ماگمایی را پشت سر گذاشته تا این که در 18 میلیون سال قبل بر اثر فعالیت تکوینی یکی از چهره‌سازترین این فازها، بستر اصلی خود را پی‌ریزی کرده و با بالا آمدن قسمت آبخیز در بخش شمال غرب و نشست تدریجی خاستگاه در بخش شرقی (گاوخونی) و برجا گذاشتن آبرفتهای قدیم و جدیدی به وضع کنونی خود رسیده است. بر اساس این مطالعات مسیر شرقی- غربی بخش مرکزی زاینده‌رود از اصفهان تا گاوخونی که خود دنباله گودال سرتاسری ارومیه- دختر می‌باشد، در واحد زمین‌شناسی سنندج- سیرجان (اسفندقه- مریوان) قرار می‌گیرد. همچنین دیوار شرقی گودال گاوخونی که تماماً از مواد آتشفشانی تشکیل شده و خود دنباله آتشفشان محوری ایران می‌باشد و حوضه آبگیر اصفهان- سیرجان را از اردستان- یزد جدا می‌کند، جزیی از تشکیلات زمین‌شناسی ایران مرکزی است.
بدین ترتیب باتلاق گاوخونی یک منطقه فرورفته کویری است و از جمله گودال‌های جداکننده زون زمین ساختی سنندج- سیرجان از ایران مرکزی است . به علاوه باتلاق گاوخونی به صورت دریاچه کوچک دایمی است که از اطراف نیزارها و بسترهای شور و نمکی آن را در بر گرفته است. این دریاچه به علت کاهش تدریجی تغذیه و تبخیر بسیار بالا در جهت خشکی پیش می‌رود. خشکی و پیشروی کفه نمکی به مدخل باتلاق نه تنها از مست قلعه خرگوشی (شرق)، بلکه از طریق شهر ورزنه که جهت اصلی باتلاق است، به طور گسترده‌ای ادامه دارد. وسعت کلی حوضه 98 هزار کیلومتر مربع است که بیش از 50 هزار کیلومتر مربع آن را دشت‌های کویری تشکیل می‌دهند. این دشت‌ها متشکل از دشت سیرجان و باتلاق نمک سیرجان، دشت شهر بابک و خاتوان آباد، دشت هرات و مروست و کفه شور آن، دشت ابرقو با باتلاق نمک نسبتاً وسیع آن و بالاخره باتلاق گاوخونی با کفه‌های شور اطراف تا دشت وسیع اصفهان می‌باشد .
مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که قدیم‌ترین سری رسوبی منطقه شامل آهک و مرمر دگرگون شده و مرمر، کوارتزیت، شست سبز و کنایس می‌باشد که این سری سنگ‌ها تماماً متعلق به پرکامبرین (700 میلیون سال قبل) بوده و آن را پی سنگ منطقه می‌دانند که در اثر قدیم‌ترین فاز کوهزایی شناخته شده در ایران به نام بایکالی(کاتانگایی) دگرگونی حاصل کرده و کم و بیش با فعالیت ماگمایی (گرانیت) همراه بوده است. بر اساس این مطالعات این فاز در خلال 700 تا 750 میلیون سال قبل رخ داده و ضمن دگرگونی پی‌سنگ منطقه و ایجاد دگرشیبی آشکار منجر به بالا‌آمدگی شمال غرب و غرب منطقه شده که خود در تعیین خط تقسیم آب‌های منطقه و شیب اساسی قدیمی آنها موثر بوده است. ادامه این فاز کوهزایی و تحول آن به فاز کوهزایی کالدونی در 350 میلیون سال قبل و هرسی‌نی در 230 میلیون سال قبل منجر به خشکی‌زایی و نبودهای چینه‌شناسی شده که اصولاً نقش مهمی نداشته و باعث فرسایش رسوبات دریایی گذشته شده است. در 135 میلیون سال قبل (تریاس بالایی) یکی از کارسازترین جنبش‌های زمین‌ساختی در منطقه به وقوع پیوسته که هم‌زمان با آغاز اولین جنبش‌های آلپی بوده و به نام کیمرین پسین نامیده شده که با دگر شیبی وسیع توام بوده و در تقسیم‌بندی مناطق مختلف حوزه (زاینده‌رود) دخالت اساسی داشته است.
از فازهای موثر دیگر منطقه، فاز موثر لارامید در 70 میلیون سال قبل است که در انجام چین‌خوردگی رسوبات قبلی در بخش میانی و انتهایی حوضه نقش موثر داشته و با دگرشیبی مشخص در پایان فعالیت خود که به نام پیرنئن نام‌گذاری شده (42 میلیون سال قبل) رشته آتشفشانی کهرود در شمال شرقی گاوخونی را به وجود آورده است.
همچنین در پایان فعالیت‌های کوهزایی آلپ و در 18 میلیون سال قبل یک فاز کوهزایی بسیار وسیع، موثر و چهره‌ساز به نام آتیکان باعث راندگی تراست زاگرس در امتداد سد کوهرنگ و چندین ساخت تکتونیکی در بخش مرکزی بستر رودخانه شده که با ایجاد چند گسل شمالی، جنوبی و شمال غربی- جنوب شرقی مسیر اصلی زاینده‌رود را تا گاوخونی پی‌ریزی کرده و بالاخره با ایجاد فرورفتگی گاوخونی و احتمالاً شکستگی آن، خاستگاه نهایی زاینده رود را در کنار دیواره بلند شرقی جدا کننده وضه اصفهان- سیرجان از حوضه اردستان- یزد شکل داده و تقریباً به وضع امروز درآورده است .
از تشکیلات زمین‌شناسی قابل توجه در منطقه، مجموعه آتشفشانی نئوژن شمال تالاب گاوخونی است که جزو زون زمین‌ساختی ایران مرکزی است و توسط خدامی (1377) مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس بررسی و مطالعه مذکور این سنگ‌ها، آندزی بازالت، آندزیت، داسیت و ریوداسیت نئوژن هستند که به صورت جریان گدازه گنبد در میان سنگ‌های آتشفشانی ائوسن، سازند قرمز فوقانی، آبرفتهای زاینده‌رود و زمینهای باتلاقی- نمکی برونزد دارند و نتایج حاصل از آنالیز عناصر جزیی در نمودارهای مختلف منشا دوگانه این سنگ‌ها را تایید می‌کند. به این صورت که سنگ‌های اسیدی از ذوب بخش پیوسته و سنگ‌های آندزی بازالتی از ذوب بخش گوشته متاسوماتیسم شده یا مذاب گشته‌‌ای آلایش‌یافته با پوسته حاصل شدهاند. دگرسانی پروپلیتیک و آرژیلیک ذخایر معدنی مناسبی را در قسمتی از منطقه به وجود آورده است. آندزی بازالت‌ها به صورت جریانی از گدازه با ساخت توده‌ای، حفره‌دار و بادامکی در کوه سیاه‌باتلاق گاوخونی و سیاه کوه علی‌آباد بهترین رخنمون را دارند و از لحاظ سختی و رنگ کاملاً از سنگ‌های اطراف خود مشخص هستند. وجود ساخت حفره‌دار نشان می‌دهد که ماگما دارای میزان قابل توجهی گاز بوده است. عوامل تکتونیکی و فرسایش باعث ایجاد گدازه‌های برشی، فرسایش پوست پیازی و واریزه شدهاند. لازم به ذکر است که آندزی بازالت‌های کوه سیاه برای مصارف ساختمانی و صنعتی و املاح تبخیری گاوخونی برای استخراج پتاس از اهمیت اقتصادی برخوردار می‌باشند .
رسوبات موجود در ناحیه گاوخونی عموماً به دلیل واقع شدن در انتهایی‌ترین نقطه حوزه آبخیز زاینه‌رود متاثر از رسوبات آورده شده از کل حوزه است . این رسوبات که معمولاً از سنگ‌های سیلیسی، ماسه، رس، شیست، مارن، ژیپس و نمک تشکیل شده، از سایر نقاط توسط فرسایش آبی و فرسایش بادی به محوطه باتلاق آورده شده است.
مواد رسوبی باتلاق شامل ماسه و گل‌هایی است که به طرف تالاب از سطح خشکی‌های اطراف کنده شده و توسط جریان منظم زاینده‌رود و یا نامنظم دیگر حمل شده است. بر اثر حل شدن نمک‌ها و گازها در آب، محیط باتلاق شرایط غیرهوازی پیدا می‌کند و در نتیجه پیچیدگی‌ها و روابط باتلاق گاوخونی خیلی زیاد می‌شود.
دیدگاه‌های مختلفی پیرامون نحوه تشکیل و تکوین تالاب گاوخونی به عنوان خواستگاه نهایی زاینده‌رود وجود دارد. لطفعلیان و مهریار (1364) سه فرضیه را در این ارتباط پیشنهاد می‌کنند :
تالاب گاوخونی ممکن است بر اثر گسل و حرکات آن به وجود آمده باشد. بر این اساس نیروهای بالابرنده و پایین آورنده که در بخش‌های درونی زمین قرار دارند موجب تغییراتی در پوسته جامد زمین شده و در نتیجه این فشارها ممکن است شکستگی‌هایی به نام گسل پدید آید. گسل‌ها ممکن است با توقف ناگهانی در جریان طبیعی آب زیرزمینی موجب تغییرات اساسی در ارتفاع سطوح ایستایی دو طرف گسل شده، به نحوی که زمینهای بالادست را به صورت نقاطی مردابی و ماندابی در آورد، در حالی که نقاط پایین دست گسل دارای سفره‌های آب زیرزمینی عمیقی بوده و خشک هستند و ممکن است به صورت زمینهای کویری فاقد هر گونه پوشش گیاهی درآیند.
این تالاب شاید بر اثر عوامل توپوگرافی و لغزشی به وجود آمده باشد، زردکوه بختیاری به عنوان بلندترین نقطه توپوگرافیک حوزه دارای 4221 متر و تالاب گاوخونی به عنوان پست‌ترین نقطه دارای 1474 متر ارتفاع از سطح دریا می‌باشند. از طرف دیگر جنس خاک در نقاط بالادست حوزه سخت، در حالی که در اطراف باتلاق به صورت شنی و سبک است، به خوبی زه‌کشی شده و توسط زاینده‌رود به تالاب هدایت می‌شود. به نظر می‌رسد رودخانه زاینده‌رود در این قسمت از حرکت بازمانده و با انتقال آب زهکش‌های طبیعی حوزه‌های دامنه‌های شرقی و کوه‌های مرکزی ایران تالاب گاوخونی را ایجاد کرده است. بدیهی است در دوران‌های گذشته زمین‌شناسی این تالاب بسیار گسترده‌تر بوده و احتمالاً تا ابرقو در استان فارس ادامه داشته است که با تغییرات آب و هوایی، پیشروی کویر و . . . آب رودخانه نیز کم شده و دامنه باتلاق به تدریج کاسته شده است.
ممکن است تالاب گاوخونی یک چاله زمین‌شناسی باشد، در روزگاران قدیم چالهها و فرورفتگی‌های زیادی در فلات مرکزی ایران وجود داشته است. در آن زمان فلات داخلی ایران توسط دریا پوشیده شده و با اقیانوس هند و دریای عمان پیوستگی داشته که با عقب‌نشینی تدریجی دریا، فلات داخلی ایران از آب خارج شده، اما چاله‌های مذکور که نقاط پر عمق آن دریای بزرگ بوده‌اند، به صورت دریاچه‌ها و یا باتلاق‌هایی که بیشتر دارای آب شور و به صورت نمکزار هستند، باقی مانده‌اند. البته بسیاری از این چالهها بر اثر خشکسالی و تغییرات آّب و هوایی خشک شدهاند، اما تالاب گاوخونی به علت تغذیه منظم و دایمی توسط زاینده‌رود هنوز باقی مانده است.
