Das Steinheimer Becken entstand vor ca. 15 Millionen Jahren durch den Einschlag eines schätzungsweise 150 m großen Meteoriten. Durch den Einschlag mit einer Geschwindigkeit von ca. 72000 km/h wurde etwa die Energie von 18000 Hiroshimabomben (10¹⁸ Joule) freigesetzt. Durch die Explosion wurden weite Teile der Ostalb verwüstet. 

Anfangs bildete sich ein Kratersee, der allerdings verlandete bzw. durch das Wental entwässert wurde. In den bis zu 50 m mächtigen Seesedimenten wurden Fossilien gefundenen, die Rückschlüsse auf das 40 km entfernte Nördlinger Ries zulassen. Demnach handelte es sich vermutlich um zwei zeitgleiche Ereignisse, den Einschlag eines Asteroiden im Nördlinger Ries und eines begleitenden Satelliten im Steinheimer Becken.

Der Einschlagkrater (Impaktkrater) des Steinheimer Beckens ist annähernd kreisrund mit einem Durchmesser von ca. 3,5 km und war ursprünglich rund 200 m tief. Im Zentrum bildete sich durch rückfallendes Gestein der ca. 100 m hohe sog. Zentralberg, der heute rund 50 m hoch ist und Klosterberg genannt wird. Der Kraterboden liegt rund 100 m unter der umgebenden Hochfläche der Schwäbischen Alb.

Der Kraterwall besteht aus Jura-Kalkschollen und teilweise aus zu Brekzie verbackenen Kalken.

1905 wurden weltweit zum ersten Mal sog. Strahlenkalke  im Steinheimer Becken erkannt und beschrieben. Dies sind konisch geformte Bruchflächen im Gestein, hier Kalk, auf deren Oberfläche feine, strahlenförmige Streifen zu sehen sind, die von der Spitze ausgehen.

Im Steinheimer Becken liegt die Gemeinde Steinheim, die namensgebend war.

Die Seesedimente  sind reich an Fossilien aus dem Miozän, so dass das Steinheimer Becken zu den bedeutendsten Fundstellen für dieses Erdzeitalter zählt. Neben einer Vielzahl von Funden von Wirbeltieren (Fische, Reptilien, Vögel, Säugetiere) sind die Sedimente vor allem wegen der massenhaft gefundenen fossilen Schneckengehäuse bekannt. 1862 untersuchte der Paläontologe Franz Hilgendorf die Gehäuse der Süßwasserschnecke Garaulus, eine Gattung aus der Familie der Tellerschnecken, und stellte fest, dass sich die Gehäuseform von den älteren Sedimentschichten zu den jüngeren langsam veränderte. Die Schneckenfunde waren damit die erste Bestätigung der 1859 von Charles Darwin veröffentlichten Evolutionstheorie. (Lit.: Heizmann und Reiff, 2002)

Im Steinheimer Ortsteil Sontheim befindet das 1978 eröffnete Meteorkratermuseum, das auch Ausgangspunkt für einen geologischen Wanderweg durch das Steinheimer Becken ist. Zugleich ist es Leitprojekt des EU-Programmes Leader+.