1、地层
（1） 矿区地层
大同煤田北部侏罗纪含煤地层为中侏罗统大同组，在南部整合复于下侏罗统永定庄组之上，北部超复于晚古生代不同地层之上。晚古生代地层在《大同煤田石炭纪矿区煤炭资源与开发》中叙述。以下仅叙述有关侏罗系及其上复地层。
下侏罗统永定庄组(J1y) 该不整合超复于晚古生代地层之上。由灰白、黄褐、灰紫及绿色砂岩、粉砂岩和泥岩组成。底部为灰白色砂砾岩，厚0～170m，一般厚77m。
中侏罗统大同组(J2d) 该与永定庄组呈整合接触。系一套河湖环境下形成的陆相含煤沉积。以灰白色中、粗砂岩，灰黑色粉砂岩、细砂岩、泥岩及20余层煤组成。总厚80～240m，一般180～200m左右。本组底部为含砾粗砂岩。
中侏罗统云岗组(J2y) 该与大同组呈整合接触，底部为灰白色砾岩和含砾砂岩（K21）。下部为灰白、灰紫色厚层状砂岩；中部为灰白色薄—中厚层状含砾砂岩及砂岩夹黄色粉砂岩；上部灰紫色泥岩和粉砂岩夹灰黄色砂岩，紫色泥岩中夹有园球状钙质结核。总厚250余m，一般仅残存其中、下段。
上白垩统肋马堡组(K2z) 该不整合于下伏地层之上，以紫色砾岩为主，砾石为片麻岩、玄武岩、石灰岩、砂岩。其顶、底部夹黄褐、紫红色粉红色粉砂岩、泥岩。总厚50～200余m。
第三系红土(N2) 该不整合复于不同时代地层之上，厚10余m，在煤峪口有10余m的砾石层，胶结疏松。
第三系及第四系橄榄玄武岩 该呈岩墙、岩盘状产于矿区的西部，如燕子山、旧高山、潘家窑等地。
第四系（Q） 该厚0～40m。岩性为白黄或黄色砂质粘土组成的黄土，在沟谷中由砂、砾等组成近代冲积层。
（2） 含煤地层
大同煤田侏罗纪含煤地层为侏罗系中统大同组（J2d）,岩性以灰色、深灰色粉砂岩、细砂岩为主，夹灰白、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，为一套河湖相沉积。含煤15~20层，其中2、3、7、8、9、11、12号为主要可采煤层，4、10、13、14号为局部可采煤层。在煤田范围内所有煤层都有不可采地段。底界砂岩为灰白色中、粗砂岩，底部为含砾粗砂岩，层位稳定。本组厚80~240m。
2、构造
大同煤田位于大同斜坡（A1~3）内，区内构造受洪涛山隆起控制，总体为一轴向大致北北东，南部转为北东向的不对称向斜。西北翼宽缓，地层近似水平。东南翼狭窄，边缘地层直立或倒转，至向斜内1～2km趋于平缓或呈北东向波状短轴褶曲。较大断层如青磁窑断层、煤峪口断层、白洞断层、鹅毛口断层等，见于煤田东南山麓地带，走向北东—北北东。区内出现一组北西向断层，如东周窑、王村、挖金湾等横向断层，落差在20～50m左右。
3、岩浆岩活动
燕山期煌班岩呈岩床和岩株状侵入矿区东南边缘口泉和鹅毛口一带石炭、二叠系含煤地层之中，使局部煤层变质或硅化。在大巴沟、刘家窑等地还有煌斑岩侵入于侏罗系含煤地层。
旧高山、燕子山、潘家窑、尖口山一带有大量岩墙或岩株状玄武岩，并具构造方向性，有的侵入大同组下部。
