根据塔里木盆地志留系现有的研究程度、钻孔及露头的岩性、古生物及接触关系，建立了6个地层分区。
（一）柯坪地层分区
柯坪地层分区志留系出露完整、接触关系清楚，为一套滨岸－潮坪相、以碎屑岩为主的沉积，是塔里木盆地志留系研究的经典地区。广泛分布于阿克苏西部、乌什、阿合奇、柯坪等地，呈北东—南西向条带状展布。自下而上包括了柯坪塔格组、塔塔埃尔塔格组、依木干他乌组。以柯坪印干大湾沟和铁热克阿瓦提剖面最为典型。
1.柯坪塔格组[（O3—S1）k]
柯坪塔格组为一套滨岸相的碎屑岩沉积，底部常见一层不稳定的褐灰色砾岩，与下伏中—上奥陶统印干组为假整合接触。根据所含的丰富的笔石、腕足、双壳、三叶虫、几丁虫及疑源类等多门类化石，将其时代定为早志留世，又由于在其下段产有晚奥陶世的几丁虫化石，将其下段确认为上奥陶统，奥陶系—志留系界线置于柯坪塔格组下段的顶部。本区的柯坪塔格组自下而上可分为三段，区内全组厚度在100～700m之间。
下段：灰绿色、深灰色中-厚层状粗粉-细砂岩与泥岩互层，257～275m；中段：灰绿色泥页岩、粉砂质泥岩夹粗粉-细杂砂岩和泥质粉砂岩，厚60～125m；上段：灰绿色、暗紫色厚层状粗粉-细砂岩及灰绿色、深灰色页岩，厚84～132m。
2.塔塔埃尔塔格组（S1t）
塔塔埃尔塔格组为一套潮坪砂坝相的红色碎屑岩沉积，与下伏柯坪塔格组为整合接触，两者之间没有截然的界线，一般以红色层增多、岩性变粗为界。根据其中所产的疑源类、孢子、无颌类和棘鱼类以及上覆和下伏地层的时代，将其定为早志留世。在柯坪地区一般分为上、下两段，但覆盖区内统一称之为下砂岩段，区内全组厚度在95～600m 之间。下段岩性为紫红色、灰绿色薄中层细砂岩、粉砂岩与紫红色泥岩、粉砂质泥岩互层；上段较粗，为紫红色、浅灰色薄－中层细砂岩、粉砂岩夹紫红色泥页岩。
3.依木干他乌组（S2y）
依木干他乌组为潮坪-潟湖相的红色碎屑岩沉积，与下伏塔塔埃尔塔格组为整合接触，以大套紫红色泥岩、粉砂质泥岩的出现作为该组的开始。根据其中所发现的牙形石、棘鱼、无颌类等化石将其时代确定为中志留世。根据其岩性可分为上、下两段，下段在覆盖区称为红泥岩段，上段称为上砂岩段，区内厚度在150～600m之间。
下段：紫红色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与灰绿色薄层粉砂岩、细砂岩不等厚互层，偶夹砂质灰岩、鲕粒灰岩和泥晶灰岩的透镜体；上段：紫红色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹薄层灰绿色粉细砂岩。
（二）库鲁克塔格－塔东北地层分区
库鲁克塔格－塔东北地层分区包括了露头区的库鲁克塔格山地、覆盖区的孔雀河斜坡，两个地区的研究程度都很低，均仅见到志留系，两者之间岩性和古生物都难以对比。
1.库鲁克塔格地层小区
仅见于库鲁克塔格东段却尔却克—阿尔特梅什布拉克一带，称之为阿尔特梅什布拉克组，为灰绿色砂岩、粉砂岩夹泥灰岩和灰岩，厚720～2217m，产笔石：Monograptus priodon；腕足类：Spiroraphe cf.bohemica；头足类：Michelinoceras等（新疆区域地质志，1993），与下伏上奥陶统树沟子组为连续沉积，与上覆下石炭统为假整合接触。
2.孔雀河地层小区
维马1井钻遇，井段2408～2923m，塔指将其命名为维马克群，按岩性自上而下分为一组和二组。一组为紫色粗－细粒岩屑砂岩夹灰绿色细粒长石岩屑砂岩和暗紫色泥岩；二组为灰绿色、浅灰色粉砂岩、中－细粒长石岩屑砂岩与灰绿色、紫色泥质砂岩、泥岩。因两个组均产有早志留世几丁虫化石，而将其置于下志留统。与下伏奥陶系为整合接触。
（三）库车－塔北地层分区
在库车－塔北地层分区，由于库车坳陷中新生界厚度极大，还没有钻遇志留系的钻孔，因此研究范围仅限于塔北隆起。塔北隆起受后期构造破坏严重，侏罗系或三叠系直接上覆于志留系之上，地层缺失现象非常普遍，但不同地区也有差异。
本区重要的生物化石发现包括以下几个方面：英买2井在柯坪塔格组中段发现早志留世的几丁虫 Conochitina iklaensis，笔石Glyptograptus incertus,G.tangshanensis，双壳Nuculileskalpinensis-Praectenodonts组合；草1井柯坪塔格组中段产早志留世的笔石Glyptograptus tansanensis-G.inxertus-G.tamariscus组合。
1.柯坪塔格组[（O3—S1）K]
塔北钻遇该组的钻孔有27口，大部分地区仅保留了中段，厚度差异很大，9～1009m不等，大多在150～400m之间，最厚的是英买30井，达到1009m，还未见底，最薄的是吉南1井，仅有9m。其下伏地层为下奥陶统或中、上奥陶统，除草1、草湖1等少数几口井与下伏地层呈整合接触外，其余钻孔均缺失下段地层，与下伏奥陶系呈假整合或角度不整合接触。
柯坪塔格组中段代表了较深水的沉积环境，岩性以灰色、深灰色泥岩为主，夹少量灰色薄层细砂岩、粉砂质泥岩；下段和上段岩性相近，均以灰绿色、绿灰色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩互层为主。
2.塔塔埃尔塔格组（S1t）
塔北钻遇该组的钻孔仅有6口井，钻遇井的厚度在78～385m之间，岩性及厚度在横向上均没有明显差异。与柯坪塔格组多为假整合接触，但草湖1井和草1井与柯坪塔格组上段为整合接触。
塔塔埃尔塔格组一般上部为浅灰色、灰紫色、灰白色、杂色厚层细砂岩、含砾不等粒砂岩为主，夹灰紫色、棕褐色泥岩；下部浅灰色、紫褐色巨厚层细砂岩与不等粒砂岩互层，夹紫褐色泥质粉砂岩及棕褐色。绿灰色薄层泥岩。
3.依木干他乌组（S2y）
塔北钻遇该组的钻孔较少，仅有7口井，主要分布在西部的英买力地层小区，东部的轮南-轮台地层小区大多缺失，只有东河1井钻遇。依木干他乌组的厚度横向变化不大，在149～288m之间。与下伏地层多为超覆不整合接触，仅有英买2井为整合接触。依木干他乌组岩性以灰、灰白、紫色粉砂岩夹灰色、棕红色泥岩，由于存留厚度较薄，没有像露头区一样分出上部的上砂岩段、下部的红泥岩段。
（四）阿瓦提－满加尔地层分区
由于北部坳陷中新生界沉积厚度巨大，因此钻遇志留系的钻孔不多，只有20口井，主要分布在满加尔地区。从已钻遇地层的情况分析，依木干他乌组分布零星，以羊屋2井、满参1井、满西2井为代表。
区内志留系的重要化石发现不多，主要有羊屋2井柯坪塔格组产中志留世的微古植物化石。
1.柯坪塔格组[（O3—S1）K]
钻遇柯坪塔格组的井仅有2口井，羊屋2井和塔河1井。其中羊屋2井厚度为158m，塔河1井超过571m（没有钻穿），因此其横向分布规律并不清楚，推测与下伏奥陶系呈角度不整合接触。岩性为灰、绿灰色、灰绿色泥岩夹泥质粉砂岩、粉砂岩。
2.塔塔埃尔塔格组（S1t）
区内钻遇塔塔埃尔塔格组的井较多，共有14口井，但钻穿者仅有羊屋2井，其厚度为172m，另有跃南1井和满1井尽管没有钻穿，厚度却很大，分别为377m和383m，可见其横向变化大。与下伏柯坪塔格组呈整合接触。岩性为紫灰、灰紫、浅灰色细砂岩、沥青质细砂岩，夹粉砂岩及泥岩，也称为沥青砂岩段或下砂岩段。
3.依木干他乌组（S2y）
依木干他乌组在区内分布不连续，主要分布于南部及西部地区。钻遇的有满参1井、满西2井、学参1井和跃南1井等4口井。满参1井的厚度为390m，跃南1井为240m，西部的满西2井尽管没有钻穿，厚度却达到795m。与下伏地层呈整合接触或超覆不整合接触。
岩性分为上、下两段，上段为上砂岩段，以浅灰、紫红色细砂岩为主，夹紫红色泥质粉砂岩；下段为红色泥岩段，以红色泥岩为主，夹粉砂质泥岩、粉砂岩。
（五）塔克拉玛干地层分区
塔克拉玛干地层分区包括了巴楚、塔中、塘古孜巴斯和塔东共4个地层小区。统计分析表明，区内钻遇志留系的井最多，达到78口井，占了几乎整个盆地钻遇志留系钻孔的一半，主要集中在塔中地层小区。从地层展布规律来看，下志留统的柯坪塔格组在塔中、塔东及塘古孜巴斯等地层小区内几乎全部缺失，主要见于巴楚地层小区；其他时代地层在区内则均有范围不等的分布。以塔中10井、塔中33井、塘北2井、方1井及和4井为代表。
1.柯坪塔格组[（O3—S1）K]
柯坪塔格组在塔克拉玛干地层分区分布局限，除巴楚外，其他地区分布零星，在所有钻遇柯坪塔格组的9口井中，有6口井在巴楚、塔中、塔东及塘古孜巴斯仅有塔中451井、塔452井和塔中34井3口井钻遇。柯坪塔格组在本区厚度变化很大，巴5井最厚，达到665m；康2井次之，为477m；古董3井最薄，仅有150m。与下伏奥陶系多为角度不整合接触。
柯坪塔格组的中、下段为灰色泥岩夹薄、中－厚层粉砂岩，上段的下部为绿色粉砂岩夹泥岩和细砂岩，上部为紫红色砂岩、泥岩互层。
2.塔塔埃尔塔格组（S1t）
塔塔埃尔塔格组的分布比柯坪塔格组要广泛得多，钻遇该组的井多达55口井。从钻遇井的厚度统计来看，呈现西部厚—中部薄—东部厚的变化趋势：西部的巴楚地层小区最厚，一般在200～500m，最厚的为皮1井，厚达702m；塔中地区最薄，一般在100～200m，超过200m的井很少，塔中160井最厚，也仅有335m，最薄的是塔中103井，只有9m，该组在塔中地区分布是不连续的；到塔东地区厚度开始加大，如塔中33井为207m，塔中34井为203m。区域上塔塔埃尔塔格组与下伏地层呈角度不整合接触，西部巴楚则为假整合接触。
塔塔埃尔塔格组岩性在横向上变化很大，主要体现在砂泥比例上。巴楚地层小区岩性较细，为砂泥坪环境的褐、灰紫、浅灰色泥岩、粉砂岩互层，夹薄层细砂岩；塔中地区较粗，具有真正意义上的下砂岩段，以潮坪相砂坪的灰色细砂岩为主，夹灰绿色泥岩及粉砂岩，下部夹沥青质细砂岩；塔东地区岩性更粗、颜色变深，以海滩环境的中－厚层浅灰色细砂岩、深灰色及黑色沥青质细砂岩和棕色及灰绿色泥岩为主，偶夹含砾不等粒砂岩。
3.依木干他乌组（S2y）
依木干他乌组的分布范围比塔塔埃尔塔格组稍小，有42口井钻遇。从厚度统计来看，尽管全区东西差异不大，一般在150～250m，但与塔塔埃尔塔格组的分布相似，仍然由西向东呈现出厚—薄—厚的规律性变化：巴楚地区较厚，在200～300m之间，其中巴参1井最厚为387m；塔中地区较薄，而且井间的差异较大，最厚的塔中49井，厚424m，最薄的塔中17井仅保留了55m；塔东地区厚度开始加大，如塔中33井为244m，塔中32井为859m。与下伏塔塔埃尔塔格组经常相伴出现，二者间多呈整合接触，
依木干他乌组分为上部的上砂岩段和下部的红泥岩段，横向上分布稳定，差异仅在于上、下段相对厚度的变化。红泥岩段为棕色、棕褐色巨厚层泥岩夹浅灰色薄层粉砂岩、泥质粉砂岩；上砂岩段为棕色、棕红色、灰色、浅灰绿色中细砂岩及泥岩不等厚互层，局部夹灰岩。
（六）塔西南地层分区
塔西南地层分区通常称之为麦盖提斜坡，钻遇志留系的井有10口，纵向上地层发育齐全、基本连续，西厚东薄的分布规律明显，如西部的伽1井厚达1389m，自下而上发育了塔里木盆地的全部志留系，向东缺失增多、厚度变薄，到玛参1井志留系全部缺失。因其他地层特征与塔克拉玛干地层分区基本一致，这里不再赘述。