一、地层
1.前第四系
流域处几个构造体系交接复合部位，南山系几乎缺失古生界，北山系主要由奥陶-志留系及海西期花岗岩组成。
(1)古生界及前古生界
包括前震旦系敦煌群、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系及二叠系，构成流域内中低山及北山主体。岩性较复杂，主要有深变质的片麻岩、石英岩、混合岩、灰岩、片岩等，总厚度达数万米。较坚硬的岩体构成高大陡峻的山体。山区岩石裂隙发育，构造裂隙与风化裂隙常构成裂隙网络。震旦系和中、上石炭统灰岩分布在龙首山、桃花拉山和北截山西端，构造裂隙与溶孔、溶穴构成裂隙岩溶网络。
(2)中生界
包括侏罗系龙凤山群、赤金堡群、白垩系新民堡群，分布于断陷盆地边缘，形成低山丘陵带，岩性为陆相堆积的杂色砂岩、泥岩、页岩等，为孔隙-裂隙含水层。
(3)新生界
古近系渐新统火烧组:以红色砂砾岩和砾岩为主，向上有变细的趋势，与上、下地层均呈不整合接触。
新近系疏勒河组:为一套山麓-河湖相沉积。岩性由灰黄色或灰白色砾岩、含砾砂岩、砂岩及棕红色泥岩夹页岩组成，夹石膏层，厚1855m，与玉门组呈不整合接触。主要分布在酒泉盆地和祁连山山间盆地。疏勒河组具明显河流相沉积特征，韵律比较明显。在盆地中岩性有所差异，玉门镇南为泥岩夹砂砾岩，以及砂岩、砾岩，安西盆地东部为砂泥岩，西部为橘黄色泥岩。
2.第四系
玉门组(Q1y):为半胶结的泥砾、砂砾石层。地层受构造变动，发生倾斜。与下伏新近系疏勒河组呈不整合接触，与中更新统的南湖组为整合接触，或与酒泉组呈不整合接触。厚度在各地不一，在玉门地区厚度达227～597m，广布于走廊盆地南缘的山前地带，常构成低缓丘陵。
八格楞组(Q1b):与玉门组同期异相。主要出现在安西-敦煌盆地、花海盆地、玉门-踏实盆地西北缘。安西盆地埋藏于45～180m以下，岩性为胶结—半胶结砾岩、砂砾石、砂及黏性土。在安西盆地西部，岩性变为湖积黏性土、亚粘土与半胶结砂砾石。在踏实盆地该层埋深120m左右，为一套亚砂土、亚粘土、含砾亚砂土地层。花海盆地埋藏于240m以下，为一套棕红色粘土夹砂层，局部胶结。
酒泉组(Q2j):为灰色或黄色砂砾和泥，夹粉砂质泥，半胶结-未胶结状，与下伏玉门组呈不整合接触，在敦煌、安西盆地厚40～200m，为土黄色含泥砾质砂层、亚砂土及泥质砂砾石层;昌马洪积扇区黄灰色卵砾石层，砾石成分以灰岩为主，砂岩、变质岩次之，粒径2～5cm，砾石含量达30%以上;酒泉盆地厚10～113m，张掖、武威盆地厚31m，产状近于水平，广布于走廊盆地南缘的山前地带，常构成台地。与上覆戈壁组呈不整合接触。
戈壁组(Q3g):是区域分布最广的地层，为灰青色冲洪积厚层状砂砾石，砾石成分有灰岩、砂岩、页岩、板岩及变质岩，局部钙质半胶结，受古近系、新近系影响，含泥较多，厚20～80m，山前地带可达200m。
二、构造
河西走廊位于青藏高原东北缘，是天山褶皱系、祁连山褶皱系、阿拉善台隆和塔里木台地等构造体系的交汇部位，新生代以来，受青藏高原隆升的影响，新构造运动强烈，形成众多断隆和断陷盆地。武威盆地、张掖-酒泉盆地主要受祁连山褶皱带影响较多，走向NW;而西部的玉门-踏实盆地和安西-敦煌盆地，则受天山褶皱系影响，盆地走向呈近EW向。祁连山北麓大断裂和阿尔金断裂带构成走廊南部边界，北部边界主要是龙首山、合黎山山前断裂、星星峡-石板井深断裂、敦煌地轴北侧深断裂。
1.断裂
祁连山北缘大断裂，西起当金山，向东南沿祁连山北麓经肃北、玉门、榆木山、民乐、乌鞘岭、毛毛山、老虎山、米峡山直至六盘山，全长千余千米，属压扭性逆断裂，在乌鞘岭、毛毛山一带断层倾角70°～80°。该断裂形成于加里东期，印支和燕山期最为活跃，并伴生大规模的岩浆活动，新生代活动强烈，南侧祁连山强烈隆升;北侧武威、张掖、酒泉等山前断陷盆地大幅沉降。
阿尔金断裂带是由多条断层组成的巨型走滑断裂系，主要控制着走廊西段玉门-踏实盆地和安西-敦煌盆地边界和基底构造，与本区有关的主要断裂如下:
1)阿尔金主干断层，西起东、西昆仑交界，经吐拉、茫崖、索尔库里、阿克塞，至祁连山西端，延伸进入内蒙古，该断裂是玉门-踏实盆地与张掖-酒泉盆地的分界。
2)三危山断层，沿敦煌三危山北缘山前发育，长约300km，断层南为前寒武敦煌群变质岩系，北侧主要为古近系、新近系砂砾岩，局部为侏罗系煤系地层。
3)红柳沟-拉配泉断层，位于阿尔金山北缘，是阿尔金山与敦煌盆地的分界线。
2.新构造运动
第四纪以来，青藏高原强烈隆升，使区内新构造活动十分强烈，主要表现在以下几个方面:
(1)山区振荡式抬升
南部诸山脉呈阶梯状，由高而低发育3级夷平面。一级夷平面，在山脉的峰顶面，为现代冰川发育区，海拔大于4700m，呈现NWW向带状冰雪覆盖区，一般向NNE向平缓倾斜，大致形成于新近纪，早更新世初期被抬升;二级夷平面，海拔4300～4600m，因断层切割、冰水溯源侵蚀，山体北缓南陡，夷平面形成于早更新世，中更新世被抬升;三级夷平面，海拔3700～4100m，为新近系及白垩系组成的山前台地及早更新世洪积台地，形成于中更新世，晚更新世被抬升。第四纪以来，山脉的上升幅度约在1000m以上。
振荡式上升运动还表现为河谷中有多级阶地发育，多为内叠阶地，中、上游普遍发育Ⅱ、Ⅲ级阶地，个别地段可见Ⅴ级阶地;下游Ⅰ、Ⅱ级阶地发育。现代河床比Ⅴ级阶地低约40m。
(2)新生代断层、褶皱活动
第四纪以来，山前断裂不断逆冲，使褶断带上的老地层逆冲于盆地边缘的古近系或新近系之上，导致局部地层倒转、直立，产生次级逆冲断层。山前地带普遍发育平缓短轴褶皱构造，走向与老构造线一致，部分断层延伸较长。断层的逆冲活动，往往还将古近系或新近系逆冲于第四系之上，甚至将第四系堆积物错断。
(3)盆地沉降
大面积沉降运动是测区新构造运动最基本的形式之一。新生代以来，走廊平原属强烈的山前沉降带，据物探及钻探资料，第四系厚度一般为200～600m，最厚达千余米。各盆地第四系沉积南厚北薄，坳陷中心往往位于南部，靠近山前大断层。
三、盆地发展史
河西走廊位于天山—阴山东西纬向巨型构造带、阿尔金山构造带和祁连山构造带外缘的复合部位，历经多期构造活动。新生代以来，南部的阿尔金山、祁连山迅速上升，北部的低山丘陵区亦缓慢隆升，以南、北山前大断裂为边界，中间部分大幅下降，形成了武威盆地、张掖-酒泉盆地、玉门-踏实盆地和安西-敦煌等新生代断陷盆地，盆地内沉积了巨厚的新生代洪积相砂砾石和湖相沉积地层。
1.武威盆地、张掖-酒泉盆地
为祁连山山前断陷盆地，狭长状，走向NW。白垩纪，盆地已具雏形。古近纪，古气候变得炎热干燥，盆地继续沉降，至新近纪末，沉积了巨厚的红色、黄色河湖相砂泥岩。
早更新世，祁连山抬升，盆地强烈断陷，堆积了巨厚的洪、冲积相砂卵砾石层，在金佛寺、张掖等沉降中心，沉积厚度达1000m;黑河北出正义峡，流入额济纳盆地，在盆地内堆积了冲、湖积相砂、砾石和黏性土层，厚度为100～200m。
中、晚更新世，祁连山继续隆升，盆地南部边缘抬高，古洪积扇抬升成为台地，沉积范围收窄。中更新世，北大河汇入黑河水系，水量增加，下游额济纳盆地内湖泊面积有所扩大，河湖相沉积物厚50～100m。晚更新世，盆地整体抬升，气候变得更为干燥，山区冰川供水减弱，仅有洪积扇和河流沉积，戈壁、沙漠化作用加强。
2.玉门-踏实盆地和安西-敦煌盆地
为祁连山阿尔金山山前断陷盆地，走向近EW。古近纪，盆地沉降具有继承性。新近纪盆地沉降范围扩大，沉积了以疏勒组为代表的冲湖积相沉积，岩性主要为黄色中细粒砂岩、粉砂岩、砾岩互层，浅棕色中细砂岩夹泥岩、砂质泥岩及石膏层。
早更新世，气候变得寒冷而湿润，沉积物以冲洪积及冰水相砾石层为主，主要由灰褐、灰白色厚层状砾岩组成。
中更新世，气候湿润、多雨，水量丰富，湖盆面积扩大，形成东起安西、西到现今罗布泊以西的浩渺淡水湖泊，称为古罗布泊。湖中沉积了以亚粘土、亚砂土、粘土、中细砂及细砾石互层的湖相沉积。沉积厚度大于200m。中更新世晚期，气候转为炎热干燥，湖泊面积大幅缩小，湖泊中心沉积了两层石盐层。
晚更新世，湖泊消失，气候趋于干旱，南部山区振荡性隆升，原先入湖的疏勒河随之向北迁移;新疆与甘肃交界处隆起，阻断了疏勒河与塔里木盆地的联系，使安西-敦煌盆地成为独立的内陆盆地，受阻的疏勒河在下游地区形成分布很广的盐沼。
中、晚更新世，祁连山阿尔金山强烈抬升，盆地边缘断层和盆地内基底断裂活动强烈，控制着第四系沉积厚度。