包头地区在震旦纪、寒武纪曾一度受到海侵，今色尔腾山就有海相沉积分布；寒武纪后期，没有受到海侵的影响；奥陶纪、老留纪、泥盆纪的地层缺失；泥盆纪之后，仅在凹陷地带有陆相沉积；约在白垩纪时，又受到地壳运动的影响，地壳发生褶曲，并有火成岩浸入。白垩纪初期，包头地区分布着许多淡水湖盆，有机物质极为丰富，生物繁盛，气候是温暖湿润的；到了后期，气候逐渐向干热，甚至一度向炎热方向转化。因此，普遍沉积了厚层的紫红色及杂色砂砾岩。

早第三纪时，今大青山和乌拉山开始缓慢地隆起，但是从包头市以及附近地区总体来看，地壳比较稳定，地势平坦，地表遭受长期剥蚀和侵蚀，直至早第三纪末期，和中国大地一样进入准平原化阶段。那时，当地为行星风系的环流形势所控制，气候炎热，气温比较高，为一个较湿热的气候环境。自然景观是以被子植物占优势的亚热带针叶阔叶混交林。

在晚第三纪，随着喜马拉雅运动的发生，阴山山脉逐步形成，区域的内部差异开始明显起来。今大青山、乌拉山以南，地势较低，接受较多的季风影响，气候由湿热型向温和型转化。其植被除针叶林外，还有落叶阔叶林，林下有禾本科、藜科和蒿属的草本，为一种类似于现代温带森林草原景观。大青山、乌拉山以北地区，由于隆起高度和相对地形高差不大，故与山南的气候类似，只是偏干旱一些，自然景观仍为温带森林草原。

第四纪虽然极为短暂，仅有200万年左右，在地球的历史长河中只是短暂的一瞬，但是自然界却演变得相当复杂，尤其是冰期和人类的出现，成为这个时期最突出的大事件，它们不仅在地球表面留下了很多痕迹，而且大大地改变了自然界。

第四纪初期，又一次强烈的地壳运动使得刚性的鄂尔多斯台向斜地壳上拱，促使今大青山、乌拉山与鄂尔多斯高原之间产生地堑，形成呈东西向的狭长状沉降盆地。随着大兴安岭、阴山等山脉的不断隆起，决定了内蒙古偏干旱的地理隔离性。此时，各个方向挟带水气的气流至此已成强弩之末，因而整个第四纪，这里形成明显的内陆干燥的自然地理环境。内蒙古大部分地区开始向半干旱的草原化方向发展（包头市属于该范围）。包头地区的自然景观也逐渐演化为温带干草原栗钙土。但是，由于包头地区地貌类型的南北差异（即平原、山地、丘陵盆地），形成了至今各具特点，区域差异较为显着的3个自然地理区。即北部丘陵盆地区，中部山地区和南部平原区。