乌海地区地层除缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统、第三系古新统、第三系始新统外，其他各时代的地层均有不同程度的发育。

前震旦亚界千里山群，主要分布于千里山、桌子山一带，甘德尔山东缘也零星分布，为由浅至深变质岩系，构成了地台的结晶基底。分4个岩性组。四泉山组，主要由混合花岗岩、片麻岩、长英变粒岩、角闪透辉石岩、贫磁铁矿透镜体组成，厚度1268?1715米。察干郭勒组，由一套浅绿色片岩、方柱透辉岩、角闪透辉岩、透辉角闪岩、黑色角闪岩、磁铁矿层、透辉石大理岩组成，厚度9~104米，此岩组是千里山变质磁铁矿的主要赋存层位。千里沟组，主要由含石墨片岩、片麻岩、大理岩组成，从出露区看，具有砾状地质构造，局部地带还有条带状、条痕状、香肠状混合岩化现象，厚度3?413米。哈布其盖组，地层变质程度较深，岩性以深变质和超变质的榴石黑云斜长片麻岩、堇青矽线榴石黑云斜长片麻岩、条带状混合岩、渗透状混合岩和均质混合岩组成，厚度69?803米。

震旦亚界长城系西勒图群，主要分布于桌子山地区的西勒图等地，岩性为棕红色、灰白色石英砂岩、石英岩夹少量砂砾岩和页岩，厚度552~807米，是硅质矿产的主要赋存层位，与下伏中太古代千里山群变质岩呈不整合接触，与上覆寒武系呈平行不整合接触。

下古生界地层中有寒武系和奥陶系分布，缺失志留系。中寒武纪和早中奥陶纪时期沉积广泛，主要为一套海相砂泥质和碳酸盐建造。

寒武系，主要分布在桌子山和甘德尔山地区，千里山、老石旦和乌达西亦有小面积分布，下、中、上统地层均有发育。可划为馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组、崮山组、长山组、凤山组7个组，总厚266~724米。其中，下统馒头组主要为灰褐色厚层白云岩、白云质灰岩和变质石英砂岩夹灰绿色页岩等，含三叶虫化石，厚37.80米，与下伏震旦亚界长城系西勒图群呈平行不整合接触。中统毛庄组、徐庄组、张夏组主要为薄层灰岩、条带状灰岩、竹叶状灰岩、鲕状灰岩、瘤状灰岩、白云岩、页岩和生物碎屑灰岩，含三叶虫化石。总厚266.7~573.3米。上统崮山组、长山组、凤山组，主要为石灰岩、白云岩、鲕状灰岩、生物碎屑灰岩、竹叶状灰岩，总厚147米。

奥陶系，广泛分布于桌子山、甘德尔山一带，千里山、老石旦、乌达西地区也有零星分布，仅有下统和中统发育。下统：三道坎组，分布在桌子山、甘德尔山、老石旦、乌达以西和千里山北部，主要为浅灰色石英砂岩、白云质灰岩、白云岩互层，中下部夹生物碎屑灰岩，厚50~198米，与下伏寒武系平行不整合接触。桌子山组，分布在桌子山、甘德尔山、老石旦、乌达以西和千里山北部，上部为灰、深灰色厚层灰岩夹燧石结核灰岩，中下部为深灰色厚层灰岩夹黄色及浅褐红色斑块状灰岩，含腕足类和头足类化石，有大量的三叶虫化石，厚240~570米，该岩组沉积期海水广布，环境较稳定，沉积了厚度较大而质量较纯的浅海相碳酸盐岩。克里摩里组，分布在甘德尔山、拉僧仲，哈荣贵也有零星分布，主要为灰黑色薄层灰岩夹灰黑色页岩，富含笔石和三叶虫等动物化石，厚201.6米，属较闭塞的海湾相黑色薄层灰岩和黑色笔石页岩建造。中统：乌拉力克组，仅分布在甘德尔山南部哈图克沟、拉僧仲和公乌素北一带，分布面积较小，主要为黑色硅质页岩和砾岩，含笔石化石，厚10米以上，属原地堆积型砾岩。拉僧仲组，仅分布在拉僧仲地区和甘德尔山南部，主要为页岩、砂岩、砾岩、泥质灰岩，富含笔石、三叶虫和腕足类等化石，厚50~168.6米，属滨河一浅海海湾相沉积类地层。呼和查布其组，仅小面积分布在公乌素北呼和查布其沟，属奥陶系的最高层位，主要为砂质页岩、砾状生物灰岩、生物碎屑灰岩，含头足类、腕足类、三叶虫等化石，顶部直接被中石炭统本溪组覆盖，厚40米以上。

上古生界地层中有中、上石炭统，二叠系发育，缺失泥盆系和下石炭统。

石炭系，广泛分布在桌子山东、西麓，公乌素、雀尔沟和乌达以西地区，主要为砂质页岩、黏土岩、砂岩夹泥质灰岩和煤层，富含海百合等植物化石和瓣鳃类等动物化石。中石炭统为海退型滨海相地层，夹煤线。上石炭统为滨海沼泽相煤系地层，夹多层耐火黏土和高岭土矿。与下伏奥陶系平行不整合接触。

二叠系，分布于桌子山东、西麓，老石旦、公乌素和乌达以西地区，主要为砂岩、页岩、含砾砂岩、黏土岩、凝灰质砂页岩夹煤层。二叠纪的早期山西组为一套河流、湖泊、沼泽相含煤地层，山西组以上全部为陆相地层。

中生界地层发育较全，有三叠系、侏罗系和白垩系分布，其中以下白垩统地层分布面积较大。

三叠系，分布在桌子山东麓的乌仁都喜、哈尔呼舒一带，地层有下统、中统、上统。主要为砂岩、泥质砂岩、泥岩和砂砾岩，为陆相沉积岩，无生物化石，厚1853米，与下伏二叠系呈平行不整合接触。

侏罗系，分布在桌子山以东的乌仁都喜、千里庙至查干哈达煤矿一带，主要为砂岩、砾岩、泥岩夹煤层，含植物化石，厚904米，下统延安组为河流、湖泊相的含煤构建造，中统直罗组为陆相碎屑沉积岩，上统芬芳河组为山间盆地型陆相碎屑沉积岩，与上覆下白垩统不整合接触。

白垩系，仅有下白垩统下部地层发育，主要分布在桌子山和千里山以东地带，主要为紫红色、灰色砾岩，砂砾岩夹薄层砂岩，厚度大于421米，为山麓堆积相地层，与下伏中侏罗系安定河组不整合接触。

新生界地层不全，第三系缺失古新统和始新统，第四系更新统出露较少，全新统分布较广。

第三系，仅有渐新统和中上新统发育，主要分布在千里山西北麓一带，其次在西卓子山水泥厂、老石旦、乌达以西等地区有零星分布，为河流湖泊相沉积地层。主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩和砂砾岩。在千里山西北一带富含哺乳类动物化石，已确定的有15属19种化石，地层总厚大于600米。

第四系，更新统主要分布于甘德尔山麓、老石旦、乌达、巴音陶亥等地区，主要为残坡积和冲洪积半胶结状粉细砂、砂砾石夹砂廣黏土、砂砾石，厚度大于180米。全新统广泛分布在黄河两岸及其他山前平原、沟谷地带。主要由残坡积、冲洪积、冲积和风积砂土、细砂、粗砂、砂砾石组成，最大厚度大于240米，洪冲积扇层有孢粉样，其孢粉组合反映了该地区的冰后森林草原向干旱荒漠草原过渡时期，由湿凉过渡到干热的气候环境。