盆地的地层发育特点与华北地台相一致，基底为太古宇和古元古界变质岩系，其沉积盖层各时代地层发育全、沉积类型多、旋回性明显，各地层间主要为整合接触和假整合接触。主要出露的地层由老至新有：太古宇和元古宇、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及第三系和第四系（表1-8），盆地内分布赋存着极为丰富的煤炭资源（图1-15）。
表1-8 鄂尔多斯盆地煤系地层发育情况
（一）石炭系
石炭系出露在山西河东煤田、盆地西北部的桌子山—石嘴山一带、陕西省北部府谷、韩城—铜川一带的冲沟之中，向西被中—新生代地层覆盖；盆地南部主要分布在镇安、山阳、旬泪一带，其次是风县、西乡以南下高川地区。其分布面积广，含煤性好，是鄂尔多斯盆地主要含煤地层之一。按照分布位置，沉积特征，可分为华北及祁连两个地层沉积区。
图1-15 鄂尔多斯盆地煤炭资源分布图
下石炭统：早石炭世鄂尔多斯盆地与华北地台一致，仍为隆起，没有接受沉积。
中石炭统：中石炭世盆地北部府谷—韩城一线与华北地台一致，从晚奥陶世至中石炭世早期，一直遭受剥蚀（图1-16）。中石炭世晚期（维斯发期）接受了一套海陆交互相本溪组沉积。下部为灰杂色铝土质粘土岩及铁矿层，上部为灰白色砂岩、灰-灰黑色页岩夹煤线等组成。钻孔揭露表明向西可达到榆林-延安-洛河三眼桥一线，与奥陶系呈平行不整合接触，厚3～36 m。
图1-16 韩城—府谷太原组柱状剖面对比图
上石炭统，鄂尔多斯盆地晚石炭世的海侵范围比中石炭世有了扩大，分布广泛，发育一套海陆交互相含煤沉积建造，称之为太原组。在吴堡一带钻孔中所见地层层序齐全，具有代表性，下部以沼泽相沉积的黑色泥岩为主，夹浅灰色鲕状铝土岩、薄层灰岩、粉砂质泥岩等，底部有1～5 m的灰褐色石英砂岩（晋祠砂岩）与中石炭统本溪组分界，顶部有一可采煤层；中部从下煤层顶板开始至海相沉积结束为典型的海陆交互相沉积，其中以浅海相灰岩为主（包括厚层含燧石条带或燧石结核灰岩），浅灰至深灰色灰岩、硅质灰岩、生物碎屑灰岩和泥灰岩，夹黑色泥岩、炭质泥岩及薄煤层；上部以灰黑色泥岩为主，夹少量粉砂质泥岩，局部见薄层菱铁矿，总厚度77 m。府谷一带，下部为含铁石英砂岩、炭质泥岩、夹灰岩和煤层；中、上部为透镜状或厚层状石英粗砂岩和砂砾岩；顶部为泥岩、炭质页岩，夹灰岩和煤层，总厚96 m。渭北（韩城—铜川）一带，主要为石英砂岩、页岩、泥岩夹灰岩和煤层（图1-17），厚21～41 m。由吴堡向西、南、北三个方向灰岩层次减少，碎屑岩粒度变粗，与下伏本溪组为整合接触，南部由东向西地层厚度变薄或尖灭（图1-18），与奥陶系灰岩为超覆平行不整合接触，上被二叠系整合覆盖。
图1-17 彬县—韩城太原组柱状剖面对比图
（二）二叠系
鄂尔多斯盆地二叠系分布较广，发育较全，主要为陆相地层。按岩石组合、沉积特征、产出化石等可划分为华北和祁连两个地层区。
图1-18 鄂尔多斯盆地石炭—二叠系厚度等值线图
1.下二叠统
早二叠世盆地是在晚石炭世最后一次海侵结束后，该盆地开始了陆相沉积。下部为山西组，一般随太原组地层出露，是本区重要含煤地层之一。主要为砂岩、泥岩互层夹煤层、煤线及铁质结核。府谷、吴堡一线沉积厚度较大，67～42 m，洛河厚38 m，铜川厚32 m，永参一井厚8 m；上部为下石盒子组，与山西组的分布一致，为灰黄、灰绿色砂岩、砂质泥岩及泥岩，局部夹厚层中细粒砂岩；中、下部夹黑色泥岩，上部夹不稳定的紫杂色砂质泥岩或泥岩薄层，底部为浅灰色黄色中、粗粒砂岩，其中吴堡地区厚度95～111 m，府谷厚45 m，韩城厚49 m，洛河厚25 m，铜川厚24 m，永参一井厚22 m。
祁连地层区下二叠统山西组主要分布于贺兰山的呼鲁斯太、石炭井、石嘴山等地，岩性为灰黑色页岩、砂质页岩和灰白色砂岩互层，夹炭质页岩、煤层、耐火粘土，局部含菱铁矿结核，与上石炭统太原组连续沉积。大黄沟组，分布于武威-中宁小区的梁水园、油井山、线驮石、土坡一带，为河流-湖泊相碎屑岩建造，具火山碎屑沉积。岩性为杂色砂岩、长石石英砂岩、砾岩、砂砾岩、页岩，局部夹凝灰质砂岩、凝灰岩。可见厚47～333 m，与下伏山西组假整合接触。
2.上二叠统
晚二叠世沉积在鄂尔多斯盆地分布较为广泛。华北地层区下部为上石盒子组，范围较下石盒子组广，在麟游、歧山一带直接超覆在奥陶系之上。下为灰绿、黄绿色粉砂岩、粉砂质泥岩为主，夹灰褐色、黄绿色细-中粒砂岩，泥岩和粉砂岩常具紫斑-紫杂色；底部为灰白色厚层含砾中-粗粒砂岩，与下伏下石盒子组整合接触；上为黄绿色、暗紫色砂岩为主，夹砂质泥岩、粉砂岩和中粒砂岩，具紫斑，向上被紫红色代替，厚78～326 m；上部为石千峰组，在祁连区为窑沟群，分布与下统一致，属河流-湖泊相碎屑岩建造，局部具火山碎屑岩建造。岩性为杂色泥岩、砂质泥（页岩）、粉砂岩、细砂岩-粗砂岩，局部夹硅质灰岩、泥灰岩、菱铁矿结核、凝灰质砂岩等，厚46～990 m。
（三）三叠系
鄂尔多斯盆地三叠系分布相当广泛（图1-19），在陕西省北部广大地区，上、中、下三统俱全，上统顶部有河湖沼泽相含煤沉积，化石丰富，为我国北方陆相三叠系的标准分层地区。
1.下三叠统
陕西省北部华北地层区的下三叠统，可分为两个组。下部刘家沟组，以灰白色、灰紫色砂岩，棕红、灰紫色粉砂岩，棕红、紫红色砂质泥岩，灰紫色砂岩互层。在歧山、麟游一带本组底部有海相沉积，与下伏上二叠统石千峰组普遍呈整合接触，局部为平行不整合，厚160～470 m；上部为和尚沟组，以浅湖相的棕红、橘红、紫红色泥岩、砂质、泥岩为主，夹少量砂砾岩，厚65～159 m。
祁连区的中北部三叠系划分为下-中统西大沟群。分布于武威-中宁小区的红山地区，区内出露很少，为内陆湖泊-河流相沉积。岩性由灰白、灰绿、紫灰、暗紫、紫红色长石石英砂岩，砂砾岩夹细砂岩、粉砂岩、页岩及泥岩组成，厚445～1129 m，与下伏上二叠统窑沟群假整合接触。
2.中三叠统
华北地层区的中三叠统，分布在渭北及陕北的广大面积，称为“纸坊组”，下部为青、灰、黄绿、灰绿色砂岩、长石砂岩夹暗紫、紫红色粉砂泥岩及砾岩透镜体；上部为紫褐、紫红色粉砂质泥岩与淡红色长石砂岩互层；顶部在麟游—铜川一带（称“黑纸坊”）为灰、灰绿色砂岩与深灰色、暗绿色泥岩、砂质泥岩不等厚互层，夹泥灰岩、页岩、凝灰岩及煤线，厚347～1067 m，与下伏和尚沟组为平行不整合接触。
祁连区西大沟群主要分布于贺兰山小区的呼鲁斯太、石炭井、汝箕沟等地，属河湖相-河湖三角洲相沉积，岩性由杂色厚层中粗粒砂岩夹砂砾岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩组成。该组厚300～1200 m，与下伏和尚沟组、刘家沟组或上二叠统假整合接触。
3.上三叠统
晚三叠世，是鄂尔多斯大型内陆盆的形成与沉积期，大约以北纬38°线为界，北粗南细，北薄南厚。岩性以砂岩、泥岩为主，夹油页岩和少量火山岩。自下而上可分为4个组：铜川组、胡家村组、永坪组和瓦窑堡组。
图1-19 鄂尔多斯盆地三叠系分布及厚度等值线图
（1）铜川组
在铜川地区出露较全。下部以灰绿、浅红色含沸石长石砂岩为主，夹暗紫色砂质泥岩、泥质砂岩及粉砂岩；上部可分两个旋回，下旋回为紫红色、灰绿色、砂质泥岩、泥岩，夹肉红色长石石英砂岩的互层，顶部有1～3 m灰黑色页岩、炭质页岩、油页岩夹肉红色翠绿色粘土流纹质凝灰岩（习称“李家畔页岩”），上旋回为浅红色、灰绿色块状中粒砂岩与灰绿色、黄绿色粉砂岩、砂质泥岩、黑色页岩互层，在延河以南顶部有30 m左右的油页岩、黑色页岩（习称“张家滩页岩”）。旋回下粗上细，与纸坊组为整合或平行不整合接触。全组厚99～580 m。
（2）胡家村组
系湖泊相砂泥质沉积，主要为块状中细粒砂岩，与泥岩互层，夹黑色页岩及煤线，南厚北薄，南粗北细，厚210～527 m，含石油和油页岩。
（3）永坪组
系河流、湖泊相沉积，岩性比较单一，变化不大，由中细粒块状砂岩，夹泥岩、粉砂泥岩组成，厚95～190 m。
（4）瓦窑堡组
为河流、湖泊沼泽相含煤沉积。该地层沉积之后，遭受剥蚀最甚者是渭北的铜川以西，其次是靖边、志丹以西及无定河以北的广大区域（图1-20），剥蚀程度不等，局部甚至全部剥蚀，其上被侏罗系平行不整合覆盖。
图1-20 鄂尔多斯盆地瓦窑堡组厚度等值线（m）图
在榆林、神木至府谷一带仅保留下部层位，为灰绿、黄绿、灰白色含砾砂岩和砂岩，与永坪组整合接触，厚144～186 m。清涧河、大理河地区发育比较齐全，沉积较厚，有工业煤层分布，由5个岩性段（5个岩性旋回）组成。各旋回下部为浅灰、灰白色细砂岩和粉砂岩，中部为黑灰、深灰、黄绿色粉砂泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩，上部为黑色、灰黑色页岩、砂质页岩夹煤层或煤线。在顶部旋回的底部页岩中夹有油页岩，含鱼、双壳类化石，厚378 m，南部渭北一带，为淡黄、绿黄、灰黄色中厚层状泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩及淡黄色泥岩、粉砂质泥岩，夹灰黑色炭质页岩及煤线，厚56～412 m。
祁连地层区岩性、岩相比较稳定，富含动植物化石，可见厚40～220 m，甫营儿群分布与西大沟群相仿，主要出露于崛吴山北麓及油井山等地，属河流-湖沼相沉积，与下伏西大沟群连续沉积，局部超覆于下古生界之上。岩性以灰白、灰绿、灰黑间杂厚层粗砂岩、长石石英砂岩、细砂岩、粉砂岩为主，夹砂质页岩、炭质页岩、泥灰岩，局部夹煤线和菱铁矿结核。
（四）侏罗系
侏罗系是鄂尔多斯盆地最主要的含煤地层，分布比较广泛，在华北地层区为大型内陆盆地沉积，在祁连地层区属山间盆地沉积（图1-21）。
图1-21 鄂尔多斯盆地中下侏罗统厚度等值线图
1.下侏罗统
富县组：该组断续出露在府谷—富县间，在彬县—陇县一带的少数钻孔中即可见到。由紫红色泥岩夹砂岩及少量泥灰岩或钙质结核组成，向顶部逐渐变为灰绿色砂岩、页岩互层（称“细富县组”），厚72 m。
在延安南泥湾、金盆湾，下部为砂砾岩，上部为紫红色砂质泥岩（称“粗富县组”），厚75 m。向北在西杏子河厚19 m，大理河厚29 m，无定河一带夹薄煤层厚10 m，府谷厚142 m，向南在彬县、陇县一带钻孔中厚2～18 m。富县组沉积对下伏三叠系古地形起填平补齐作用。二者呈平行（或角度）不整合接触。
2.中侏罗统
在渭河以北鄂尔多斯盆地中分布广泛，自下而上称为延安组、直罗组和安定组。
（1）延安组
为主要含煤地层，除大理河以南、吴旗以东、葫芦河以北地区无煤沉积外，盆地北部、西部和南部均为含煤沉积，且愈往西、西北和北煤层层数增多、厚度增大。分布在葫芦河以北、大理河以南、延安西杏子河一带的内陆湖泊相沉积可划分成4个岩性旋回段。下部为灰黄、灰白色巨厚-块状中、粗粒含长石砂岩夹砾岩，向上变为深灰、灰绿色泥岩、粉砂质泥岩、页岩夹灰白、灰色粉砂岩、细砂岩透镜体及少量炭质页岩。这两部分组成了一个完整沉积旋回，厚91 m；中、上部包括3个主要沉积旋回，各旋回的下部为黄绿色、黄白色、灰白色中-细粒长石砂岩，夹灰色、灰黑色粉砂泥岩、泥岩及页岩，上部为灰色、灰黑色页岩、炭质页岩、粉砂质泥岩，夹有煤线和菱铁矿及泥灰岩透镜体，厚176 m。大理河以北的无定河-窟野河流域，为河流、湖泊、河湖过渡的滨湖-三角洲及沼泽相沉积。岩性以灰黄色长石砂岩、深灰色泥岩、粉砂岩夹煤层组成。岩层中小韵律发育，岩相变化大，煤层层数多，厚度大，较稳定，大体可构成4个沉积旋回段，与延安地区相对应。下部第一旋回段中的砂岩，在富县组尚未填平补齐的侵蚀区或新的冲刷区，继续进行填平补齐，沉积厚度变化大，有分叉尖灭现象等。第二旋回以细碎屑岩为主，第三旋回段比较完整，第四旋回段承受了直罗组沉积前的冲刷，不少地段缺失上部细碎屑岩层。大理河厚度189 m，无定河厚度295 m，ZK102孔厚度260 m，窟野河厚度225 m。
（2）直罗组
主要分布于神木马七概沟、横山波罗堡、富县直罗镇、宜君焦坪一带，在陇县、千阳一带钻孔中也能见到。本组为一套半干旱气候条件下的河流相沉积，岩性较为单调，由黄绿色长石砂岩、粉砂岩，泥岩为主，组成2～3个沉积旋回。第一旋回下都为黄绿色块状中细砂岩。与下伏延安组呈冲刷接触。最上部旋回的泥质岩多变成炭红色或紫色，而尤以内蒙古哈拉什川和陕西葫芦河以南更为明显。该组厚度一般为82～209 m。
（3）安定组
该组主要分布于榆林、安塞王家窑、富县黑山寺一带，呈北北东—南南西带状出露，为一套干旱气候条件下形成的内陆湖泊河流相沉积。本组岩性在大理河以南可明显三分：下部主要是黑色页岩，灰黑色油页岩及少量的灰质混灰岩，白云质泥灰岩，粘土质白云岩等；中部为灰绿、暗桃红色页岩及灰绿色泥岩、钙质粉砂岩；上部为灰黄色泥灰岩与钙质页岩互层，与下伏直罗组为整合接触，与上覆白垩系志丹群洛河组砂岩为平行不整合接触。理河以北至神木县中鸡为紫红、暗紫色长石砂岩、砂质泥岩、粉砂岩，组成不等厚互层，局部夹有薄层泥灰岩，厚度58.13～159.73 m。