Pendant l’Oligocène (-34 à -23 Ma), le comblement du bassin se poursuit avec la fermeture du sillon de flysch pyrénéen, le dépôt de sables continentaux en Périgord et des Molasses de l’Agenais.
- Le bassin d’Aquitaine au Miocène (source : BRGM, 1986)
Durant le Rupélien (-30 Ma), la mer s’est légèrement plus avancée sur le continent qu’à l’époque éocène et les mêmes environnements qu’auparavant se retrouvent dans les mêmes régions ; dépôts littoraux de calcaires dans l’Entre-Deux-Mers (Gayet, 1985), sédimentation profonde d’argiles et de marnes dans les Landes (Serrano et al., 2006). L’épaisseur des sédiments éocènes et oligocènes du bassin marin subsident des Landes, qui reçoit les
particules les plus fines de l’érosion continentale, peut dépasser localement 2 000 mètres de dépôts argileux et marno-silteux très homogènes.
A l’orée du Miocène (-23 Ma), pendant que la Méditerranée occidentale se crée à l’est de l’Aquitaine par océanisation, une mer très peu profonde s’avance vers l’est depuis l’Atlantique jusque dans les environs d’Agen où les dépôts conservent un caractère littoral (faluns coquilliers de l’Aquitaine).
Pendant la deuxième moitié du Miocène (jusqu’à -5 Ma), une régression marine s’amorce et le bassin peu profond se réduit progressivement à une vasière marneuse sud-landaise qui finit par disparaître, comblée par les grès et les sables fauves du Langhien-Serravallien (-8 à -13 Ma).
Simultanément, les apports détritiques alimentés par l’érosion des Pyrénées (cône du Lannemezan) et du Massif central recouvrent de plus en plus les plaines molassiques et les lacs carbonatés (calcaires de l’Agenais, Capdeville, 1987).
A la fin du Miocène, le bassin possède déjà pour l’essentiel les grands traits de son architecture présente sur ses bordures, les reliefs actuels des Pyrénées et de la Montagne noire sont en place. Sous le bassin méridional, la montée des diapirs se ralentit peu à peu. Dans le domaine landais, la subsidence se poursuit plus modérément ; la tendance au comblement et à la continentalisation est de moins en moins contrariée par les timides avancées de la mer. Après l’épisode majeur de la phase pyrénéenne, la tectonique post-oligocène ne provoque plus que le rejeu d’accidents anciens.