呼和浩特市出露的地层有太古界集宁群、乌拉山群；元古界二道凹群、马家店群；侏罗系中下统石拐群；侏罗系上统大青山组；白垩系下统固阳组；第三系上新统及第四系等。

前新生代地层分布在北部大青山区及东部丘陵区，新生界分布在呼和浩特盆地及其周边地区。

太古界集宁群

分布在京包铁路线以南榆林乡喇嘛营沟、秦家营一带及陶卜齐东南山区，是自治区最古老的地层。呼和浩特市为集宁群大面积分布区的西部边缘，分布面积不大。

该套地层为混合岩化十分强烈的深度质岩组成。主要岩性为硅线榴石钾长片麻岩、角闪斜长片麻岩等，在陶卜齐东南夹有大理岩，出露厚度约1000米左右。根据大量同位素地质年龄测定资料，最后一次变质年龄为19～20亿年。因此，该群沉积时代在20亿年以前。

太古界乌拉山群

分布在小井乡豪赖沟、灯隆素、卯独庆、猴儿山一带及土默特左旗台阁牧北、大塔南等地，是呼和浩特市山区分布最广泛的地层之一。为一套经混合岩化作用的中深度变质岩石组成，主要岩性有黑云斜长片麻岩夹黑云母石英片岩、变粒岩、浅粘岩、大理岩、石英岩等组成，厚度约7000余米。可分四个岩组，最底部为黑云斜长片麻岩夹片岩，厚约1400余米；其上为大理岩夹黑云石英片岩，厚约2000米；再上又为黑云斜长片麻岩夹片岩、浅粒岩，厚约1700米；最上部为石英岩夹片岩、片麻岩，厚约1600米。

其变质程度由西向东逐渐加强，在小井乡豪赖沟、什字乡一带大理岩变薄，花岗岩脉体及石英岩夹层增厚。

该套地层与集宁群未见接触，其上为元古界二道凹群不整合覆盖，其时代根据二道凹群的同位素资料推测，最早在17～21亿年，置于集宁群之上。

元古界二道凹群

分布在半山、东红山口、哈拉沁北、大东沟—乌兰不浪—水磨、小庙子沟、坝上、干沟子、碾盘石凹—小东沟、前喇嘛沟等地，在陶卜齐东南山区也有零星分布。

二道凹群是在进行呼和浩特幅1∶20万区域地质调查时，在武川南二道凹发现该套地层不整合在乌拉山群片麻岩上，且由岩性特殊而建立的。主要分布在呼和浩特市与武川县交界处的大青山中，哈拉沁采石场和大毛胡同东坡为该群的建群剖面所在地，为一套混合岩化微弱、浅变质的片岩、大理岩及石英岩组成，总厚约2000米。可分为两个岩组，上岩组为云英片岩夹大理岩组，见于乌素图、哈拉沁、面铺窑子一带，厚度大于1000米；下岩组为片岩大理岩组，主要见于二道凹、红山沟、卯独庆、大东沟等地，厚约800余米。

根据片岩中锆石铀—铅法测定，其同位素年龄为17～21亿年，证明该套岩层的沉积时代小于17～21亿年，其下与乌拉山群为不整合接触。

元古界马家店群 

为一套浅变质砾岩变质砂岩及片岩与大理岩，局部地段具边缘混合岩化。可分为两个岩组，上岩组为大理岩组。出露于耧铧山、金銮殿山喇嘛洞召—摩天岭南等山区，为巨厚的碳酸盐类岩层夹少许泥质页岩，特点为巨厚层状，含镁质较高，厚度约500米；下岩组为板岩砂砾岩组，主要出露于观音庙北、大毛胡同、前营子北等地，以碎屑岩为主，局部地段夹碳酸盐岩薄层，其底部具砾岩和风化壳。在大毛胡同见有含铁石英岩。局部地段砾岩中含金，厚度约500米。在砾岩中错石同位素年龄测定16.67亿年。

侏罗系中下统石拐群

主要分布在大青山山间新陷盆地中，出露地有一前晌、万家沟、东沟村、榆树沟北等。为黄绿色砂岩、细砾岩夹炭质页岩及煤层。煤层不稳定，呈透镜状，构造复杂。西沟附近受燕山期花岗岩侵入，煤已变质为无烟煤。岩层中产拟刺葵，属松型叶属等植物化石。

侏罗系上统大青山组

分布于一前晌南、徐泥板申、苏盖营、坝口子北、峰家窑子、古楼板、奎素东北等地。是一套以灰绿色、黄绿色地层为主、局部为紫色、紫红色的陆相地层，其主要岩性为砂质胶结的块状砾岩和砂岩，夹有少量灰岩和泥灰岩。在乌兰板申、坝口子等地砾岩中含金，是寻找砾岩金矿的重要层位。

在西沟门、西合店、一前晌南出露的紫红色、灰色砂砾岩类硅质灰岩、泥灰岩，含有动植物化石，称为下岩段；在西沟门、大珠尔沟、乌兰板申、坝口子、古楼板一带分布的紫色、灰绿、黄绿色砂砾岩，含有植物化石，称为上岩段。

侏罗系上统为山间拗陷堆积，岩性与厚度变化较大，尤以上段最为明显。如乌兰板申一带出露以绿色岩层为主，向西到大珠尔沟耧铧山一带则变为紫色、灰紫色、紫红色地层为主，而且厚度也由2280米增到3330米。

该套地层其下界与侏罗系中下统石拐群不整合接触，其上为白垩系下统固阳组不整合覆盖。

白垩系下统固阳组

呼和浩特市分布的固阳组有火山岩段和砂砾岩段。火山岩段分布在乌素图水库东山，呈次火山岩穿于大青山组砾岩中，其岩性为灰紫色流纹岩、英安岩等。砂砾岩段分布在乌兰板申一带，为灰色、紫色、杂色的砾岩、砂岩、砂质粘土等，厚度不大，约30～70米。老道沟一带的砾岩中含金。第三系上新统三趾马红土层分布在乌兰板申北，为胶结疏松的砖红色及杂色粘土层。因产三趾马化石，故名。

第四系

呼和浩特市地区分布广，但集中分布在呼和浩特平原中，据物探重力资料推断，总厚度可达1500米以上。

中下更新统砂砾岩：出露于托克托县南黄河沿岸及和林格尔县至托克托县公路两侧。主要为黄绿色、灰色、白色粉砂质粘土岩、粘土质粉砂岩、粉岩砂和粉细砂岩组成，厚约30米，为丰胶结岩石；古城一带山前平原中分布在40米以下，为白色砂砾岩、砾岩层，厚约数十米，含有蚌、螺等化石。

上更新统黄土：见于面铺窑子、大窑子一带沿山坡堆积，为含僵结石的黄土层，柱状节理发育，出土有古人类石器等，着名的大窑文化遗址即产于该层中。

金新统：冲积层见于河流沟谷中，主要为砂砾淤泥，地表为腐植土，厚10～30米。

冲积、洪积层：见于大青山山前缓坡一带，为砾石、砂砾层。砾石成分复杂，磨圆较好，层理不清晰，厚约数十米。

沼泽沉积泥炭层，分布于土默特左旗妥妥岱、台阁牧及西黄合少乡黑炭板等地。地表为沼泽，沉积有淤泥、砂砾与泥炭，厚约数米至数十米。