從7000萬年前開始的新生代，成為塔裏木趨向現代格局的地質年代。盡管在早期，在西塔裏木仍然海進、海退頻繁，而東塔裏木卻成為大陸剝蝕區，為新生代第一紀———第三紀晚期的大規模沉積活動準備了豐富的物質來源。隨著喜馬拉雅造山運動的波及和影響，盆地周圍山體急劇抬升，河流廣泛發育，將山區風化剝蝕物搬運到盆地中心，奠定了今天的塔克拉瑪幹沙漠。
關於塔克拉瑪幹沙漠的年齡，有過許多的說法。我國權威的沙漠學家、前中國科學院蘭州沙漠研究所所長朱震達研究員認為，塔克拉瑪幹沙漠是第四紀中更新世以來形成和發育的，也就是說隻有14萬年的曆史。這種認識在很長一段時間被絕大多數學者所接受和認同。而上世紀80年代以來，一些石油地質學家和古生物學家卻提出了不同的意見，他們認為塔克拉瑪幹沙漠在第三紀中新世或上新世即已形成，將沙漠年齡一下提高到100萬年～2500萬年，他們中保守一些的人也認為塔克拉瑪幹沙漠至少形成於第四紀早更新世，距今也有120萬年之久。不過，也有少數人認為，塔克拉瑪幹沙漠是在第四紀晚更新世末，甚至全新世時才形成的，沙漠年齡不過一兩萬年。
這幾種說法所判斷的塔克拉瑪幹沙漠的年齡，從1萬年～2000多萬年，相差了2000多倍，誰的說法更準確一些呢？沙漠環境的形成、演化與沙漠地貌所處的發育階段是有區別的。前者的年代可以很早，而後者則因地貌的發育階段不同，年齡的差異可以很大。例如，塔克拉瑪幹沙漠中的絲路、城鎮，當年都是處於沙漠環境之中，但它們的所在地還不能稱為沙漠，否則就不會在那裏建設城鎮了。而廢棄後，許多已為風沙湮埋，淪為真正的沙漠，其形成、發育史也就不過區區幾百年至上千年。此外，由於形成原因不同，即使在同一個地區，也可能有多次的沙漠發育史，但是，此沙漠已非彼沙漠。塔克拉瑪幹沙漠的兩個大的發育期，就是兩個性質完全不同的沙漠，在沙漠的基質、外貌上都有很大的不同。
董光榮先生提出的上限，延伸到了中生代最後一個紀———白堊紀的晚期，距今9750萬年～6500萬年，此時在塔裏木盆地的河岸、湖岸、海濱，已有零星沙漠的分布，在進入新生代第三紀後，沙漠進一步擴展、活化。進入第四紀後，沙漠反而開始縮小，直到距今14萬年的中更新世以後，風成亞沙土廣泛發育，沙漠隨之進一步擴大。盡管10多萬年來，沙漠的發育經曆了多次的反複，但總的趨勢是處於擴展之中，最終形成今日的格局。
為了清晰說明塔克拉瑪幹沙漠的變遷史，董光榮將塔克拉瑪幹沙漠的形成發育分為前第四紀時期和第四紀時期。前第四紀通俗地說就是第四紀以前的一段時期，包括了中生代白堊紀晚期和新生代第三紀，時間跨度為9500萬年。第四紀時期的時間跨度則為250萬年。
在前第四紀時期，出現了全球性氣溫下降，塔克拉瑪幹地區由亞熱帶、熱帶環境轉為亞熱帶———暖溫帶環境，氣候進一步幹旱，植被也逐漸由稀樹草原轉變為荒漠草原，沙漠也逐步形成，性質上是以固定、半固定的草原型沙漠，由於沉積物多為紫紅或棕紅的富含石膏、芒硝和鈣結核的物質，沙漠外觀以紅色為基調，故稱為紅色沙漠期。
隨著氣溫的進一步下降，進入第四紀以後，塔克拉瑪幹氣候轉為溫帶環境，隨冰期的波動，變化於暖溫帶至寒溫帶間，幹旱的趨勢進一步發展，形成暖幹與冷幹的氣候組合，以“幹”為基本特色，與地球其他地區，如季風區的暖濕、冷幹組合，西風區的冷濕、暖幹組合迥然不同，表明了本區的幹旱特色。此時的沙漠，由草原型轉化為荒漠型，流沙逐漸增多，規模也不斷擴大。由於提供沉積的風成沙和原生風成亞沙土色澤棕黃，使沙漠呈現了黃色的主體色調，所以又稱為黃色沙漠期。
認為塔克拉瑪幹沙漠是全新世以來形成的觀點，也不是完全沒有道理的。據對塔克拉瑪幹沙漠腹地流動沙丘下地層采集的石英砂的年代測定，證明在全新世早期，在沙漠腹地出現過大範圍的河湖沉積，此時的沙漠應處於收縮和向固定化轉化的階段。到全新世中期以後，隨風力活動的加強，風沙堆積進入旺盛時期，現代的高大流動沙丘也就是在這一時期形成的，距今也就是四五千年。在塔裏木河故道上的大片沙丘，甚至隻有500年的形成曆史。
據此我們可以認為，就沙漠形成的曆史來說，塔克拉瑪幹沙漠是古老的，具有近億年的曆史；而就現代沙丘的形成來說，塔克拉瑪幹沙漠又是年輕的。