1、地层
（1）矿区地层
中奥陶统马家沟组(O2s O2x) 该以深灰色石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩为主。自北而南由薄变厚。北部十里河一带为沉积边缘，南部矿区最厚处达200m左右，呈自南向北的退复沉积。
中石炭统本溪组（C2b） 该厚0~72m，一般厚30m左右。北部薄，且以粗碎屑岩为主。南部增厚，由灰、深灰色砂质泥岩，泥岩，铝土泥岩夹煤层和1~2层石灰岩、砂砾岩组成。
上石炭统太原组（C3t） 该厚0~139m，一般厚约70m。深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩、煤层和灰白色砂岩与砂砾岩互层。由北而南增厚，粒度由粗变细，岩石组合由简单趋於复杂。在云岗沟口以砂砾岩为主，青磁窑一带尖灭。
下二叠统山西组（P1s） 该厚0~103m，一般厚约45m。灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩，泥岩及灰白色砂岩，砂砾层互层夹煤层。其沉积与太原组相似，北部青磁窑一带为边缘沉积，以砂砾岩为主。
下二叠统下石盒子组（P1x）和上二叠统上石盒子组（P2s） 该为灰绿、灰黄色砂质泥岩夹紫红、深灰色砂质泥岩及灰白色砂砾岩，上部灰白色块状厚层状砂砾岩，最厚达320 m。与下伏山西组、太原组地层相似，由北而南渐厚，北部口泉镇一带尖灭。
上述地层上伏的侏罗系永定庄组，、大同组、云岗组以及白垩系上统助马堡组及第三系、第四系地层在“大同煤田侏罗纪矿区煤炭资源及与开发”的关章节已有叙述，不再重复。
（2）含煤地层
大同煤田石炭－二叠纪含煤地层为石炭系上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组（P1s）。
太原组（C3t） 岩性以深灰色、灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩为主，夹浅灰色中~粗砂岩及煤层。水平层理，平行层理及交错层理发育为一套三角洲及海岸环境沉积。含煤10余层，其中2、3、4、5、7、8、9、11号为主要可采煤层。在煤田范围内除8、9号煤层为全区稳定可采外，其余所有煤层都有不可采地段。底界砂岩为浅灰色中砂岩，层位较稳定。本组厚0~139m，一般厚约70m。
山西组（P1s） 岩性为灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩细、中、粗砂岩和煤层。水平层理、交错层理等为河流环境沉积。含煤3~4层，其中山1、山4为局部可采煤层。底界砂岩为灰白色中、粗砂岩，层位不稳定。本组厚0~103m，一般厚约45m。含煤地层标志层及煤层 对比列入表2-1。
2、构造
大同煤田位于大同斜坡（A1-3）内，西为黑驼山一洪涛山隆起（A1-2③）,东与桑干河新裂陷盆地（A2-6⑥）的口泉山毗邻。南为洪涛山背斜与宁武煤田北缘平朔矿区相隔。总体为一开阔的北东向不对称向斜构造，向北东倾伏，南东翼倾角20°～60°，局部陡立、倒转；北西翼为白垩系复盖，倾角平缓。区内以平缓的次级褶曲为主，断层除口泉山边山一带外，煤田内部不甚发育。
3、岩浆活动
燕山期辉绿岩及煌斑岩脉以北东和北西两组方向侵入不同层位的地层与煤层。也有顺煤层呈岩床侵入。
