乌海地区地层区划属华北地层区的桌子山—贺兰山地层分区。区内出露的地层除缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统外，其他各时代的地层均有不同程度的发育。

一、上太古界千里山群

主要分布于千里山、桌子山一带，甘德尔山东缘亦见零星出露。为一套浅到深变质岩系。由此岩系构成地台的结晶基底。据其岩性、岩相组合特征，从老到新分4个岩性组：

1.四泉山组：主要由混合花岗岩、片麻岩及长英变粒岩组成。厚度1268～1715米。

2.察干郭勒组：由一套浅绿色片岩、磁铁矿层及透辉石大理岩组成。厚度9～104米。此岩组是千里山变质磁铁矿的主要赋存层位。

3.千里沟组：主要由含石墨片岩、片麻岩及大理岩组成。厚度31.413米。

4.哈布其盖组：主要由片麻岩及混合岩组成。厚度69～803米。

二、中元古界长城系西勒图群

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。与下伏上太古界千里山群呈角度不整合接触。

三、下古生界

1.寒武系

主要分布在桌子山及甘德尔山地区，千里山和乌达西亦有小面积出露。

（1）下统：

馒头组：为灰褐色厚层白云岩，白云质灰岩及变质石英砂岩夹灰绿色页岩等，含三叶虫化石。厚37.80米。与下伏西勒图群呈平行不整合接触。

（2）中统：

从老到新可分为3个岩组，即毛庄组、徐庄组、张夏组。岩性主要为薄层灰岩、条带状灰岩、竹叶状灰岩、鲕状灰岩、页岩及生物碎屑灰岩、含三叶虫化石。总厚266.7～573.3米。

（3）上统：

自下而上分为崮山组、长山组、凤山组。岩性为石灰岩、白云岩及部分鲕状灰岩、生物碎屑灰岩、竹叶状灰岩。总厚147米。

2.奥陶系

奥陶系仅有下统和中统发育，广泛分布于桌子山、甘德尔山一带，千里山、老石旦、乌达以西地区亦有零星出露。

（1）下统：

三道坎组：分布在桌子山、甘德尔山、老石旦、乌达以西及千里山北部。主要岩性为浅灰色石英砂岩、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：分布同三道坎组。上部岩性为灰、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，含头足类化石。厚240～570米。本组石灰岩质量一般较好。

克里摩里组：岩性主要为灰黑色薄层灰岩夹黑色页岩，含笔石化石。厚100米。

（2）中统：

由老至新分为乌拉力克组、拉什仲组、呼和查布其组。零星出露于甘德尔山南部、拉什仲及公乌素以北地区。岩性主要为页岩、砂岩、泥质灰岩、生物灰岩及砾岩，岩性变化较大。含笔石、珊瑚等化石。总厚大于299米。