鄂尔多斯盆地是一个跨世代的大型叠置沉积构造盆地。震旦纪至古生代陆缘发展时期，以华北陆块为基底形成以海相为主的古生代沉积盆地，晚古生代发育有含煤岩系，形成石炭二叠纪含煤沉积盆地。印支、燕山运动使古生代沉积盆地变形改造，华北石炭二叠纪含煤盆地亦随之解体，形成鄂尔多斯及其它构造盆地，与此同时形成以陆相为主的中生代沉积建造，晚三叠世晚期至中侏罗世早期发育有含煤沉积，与沉积建造同期发生的构造变形，形成了中生代前陆拗陷型沉积盆地，叠置在古生代构造盆地之上，经喜马拉雅期构造运动的改造，形成了两个世代盆地相叠置、协调统一的沉积构造盆地，两个世代含煤盆地亦融合在统一的盆地之中。
鄂尔多斯盆地中生界含煤岩系为上三叠统延长群瓦窑堡组、下侏罗统富县组和中侏罗统延安组，其中延安组为主要含煤地层。
晚三叠世含煤岩系形成于延长晚期瓦窑堡时期，盆地隆升，湖盆萎缩，沼泽相广泛发育，浅湖相区退缩至盆地西南部，其它地区均为河流、滨湖、沼泽相沉积，呈现北部为河流相，中部为三角洲和沼泽相，南部为湖泊相分带。北部河流相区，以砂岩为主，岩性为块状粗中长石砂岩夹粉砂质泥岩、砂质页岩、砂岩、含砾砂岩。泥质岩夹煤线、薄煤层、油页岩。中部三角洲相与沼泽相区，三角洲相与沼泽相互相穿插，三角洲前缘不甚发育。三角洲相岩性为中厚层、块状中细砂岩，中、薄层粉砂岩与泥岩、粉砂质泥岩不等厚互层，夹炭质泥岩、薄层煤及煤线。沼泽相分布在定边、吴旗、志丹、子长、延安、富县一带，岩性为块状泥岩、炭质泥岩、煤层和煤线、粉砂质泥岩及粉细砂岩，呈韵律层。南部浅湖区，分布在洛河以南，正宁、铜川、焦坪以北，为泥岩区和粉砂岩、泥岩区，岩性为泥岩、粉砂质泥岩、页岩夹炭质页岩、细砂岩及煤线。延长群沉积在纵向上河流相、湖泊相、沼泽相交替频繁，横向上相带相互交叉穿插递变。瓦窑堡组煤层厚度薄、面积小、分布零星，富煤带分布在中部子长、子洲和南部洛川、甘泉、富县一带。
延长群为灰绿色砂泥岩组合，含煤层、黑色页岩，产植物化石，分布于铜川、黄龙、府谷一线以西地区，厚约1000 m。岩性纵横向变化较大，厚度由东北向西南增厚。下部在盆地东北部岩石粒度较粗，长石含量高，颜色较浅；上部在盆地南部和西南部岩石粒度较细，长石含量减少，颜色较深，灰绿色岩层增多。延长群划分为三个组，瓦窑堡组位于顶部为第五段，在盆地东部保存最全，北、西及南部均遭剥蚀，南部剥蚀严重，陇东环县以西缺失。岩性为黄绿—黄灰色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩互层，夹黄绿—深灰色泥灰岩、白云质灰岩、煤层及煤线。盆地北部沉积变粗，颜色变杂并有油页岩，盆地西南部沉积变细，厚度变大，厚度36.0～800.49 m，一般厚100～200 m，与下伏第四段连续沉积。
瓦窑堡组含煤岩系含煤5层，最多达32层，均为煤线或薄煤层，单层厚度小于0.5 m，累厚小于4.5 m，可采煤为Ⅴ号煤，厚0.2～2.95 m，煤层多呈断续小面积分布，富煤中心位于子长—安塞及洛川一带。
晚三叠世末期，盆地迅速隆升，延长群遭到风化剥蚀，古地貌亦发生相应变化，南部演武、子午岭、富县高地和北部姬源、靖边、青阳高地周缘形成低丘，南北向低谷形成的径流汇集到环县—延长东西向古河道中，富县期和延安期沉积即受控于印支期后的古构造、古地貌格局。
富县期河流相分布广泛，甘陕古河主河道为砂岩区、砂砾岩区和泥、砾岩区。岩性为粗砂岩、含砾粗砂岩、砾岩，夹泥岩、砂质泥岩，局部夹黑色页岩及煤线，与延长群在局部地区呈角度不整合。河道亚相两侧为河漫亚相，岩性为粉砂岩、杂色泥岩、粉砂质泥岩夹长石细砂岩，局部出现炭质泥岩、煤线及薄层泥灰岩。坡积相分布于甘陕古河道上游西部及姬源、富县高地，残积相分布于正宁—铜川一带，岩性混杂多变，为杂色铝土质泥岩，含5～20 m鲕菱铁矿层。滨湖亚相为互层状泥岩、粉砂质泥岩与粉砂岩、细砂岩，夹页岩、油页岩及炭质泥岩。
富县组岩性和厚度变化较大，主要为细砂岩、含砾粗砂岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、中细砂岩互层，底部为透镜状砾岩与砾状砂岩，含植物化石，厚50～150 m。北部地区下部含薄煤层，中西部地区上部夹黑色泥页岩及煤线，盆地南部为残积物。与延长群呈假整合或超覆不整合接触，局部不整合于纸坊组之上。
延安组是鄂尔多斯盆地中生界主要含煤岩系，主要成煤期在延安中晚期。延安早期（宝塔山砂岩沉积时期）盆地开始缓慢下沉，高地被剥蚀夷平，面积减小，坡度降低，低丘平原扩展，形成西部高山，东部平原，南部山坡，北部残丘，东北部为湖泊的地貌。河道亚相分布于甘陕古河的伊陕古河及其两侧，古高地外以河漫为主的河流相广布于河道亚相之间。在马岭、盐池、姬源和神木、东胜一带漫后沼泽沉积发育有煤层及炭质页岩。冲积扇亚相分布于盆地边缘及古高地周边，岩性为粗碎屑岩。延安中晚期地势经剥蚀夷平已趋平坦，盆地继续沉陷由河流相转为河湖三角洲沉积。浅湖相分布于东部，呈北东至南西向展布，湖盆中心在延安一带，岩性为泥页岩、粉砂岩互层，夹薄层中细砂岩，一般仅夹数层煤线。滨湖亚相分布在浅湖以西的盐池、环县、吴旗和北部榆林一带及盆地西南缘，岩性为泥岩、粉砂岩与泥质粉砂岩、细砂岩互层。三角洲平原亚相分布范围广泛，湖沼为主的三角洲平原亚相在分流河道间、湖相和三角洲前缘的周缘和边部。沼泽沉积分布面积广，煤层主要位于该相带，是延安组煤系的富煤带。岩性为细砂岩、粉砂岩与粉砂质泥岩、泥岩互层，夹多层煤、炭质泥岩和根土岩。煤层厚度大，分布稳，发育于多个旋回的顶部。延安期后，盆地整体隆升，沉积作用终止，延安组地层遭不同程度剥蚀，直罗期盆地再次下降接受沉积。
延安组自下而上可分四段。第一段为宝塔砂岩段，岩性为灰黄、灰白色巨厚—块状中粗砂岩，下部为含砾砂岩、砾岩透镜体，向上砂岩变细，夹泥岩透镜体，盆地西部有煤层和煤线。顶部为灰绿、深灰色泥岩，夹粉砂岩、细砂岩透镜体，在盆地北、西、南部均见煤。第二段下部为黄绿、灰白色细—中粒长石砂岩与灰、灰黑色泥页岩互层，上部为灰绿—灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、页岩夹细砂岩，厚80～100 m。第三段下部为灰白色细砂岩夹灰—灰黑色页岩、泥岩及粉砂质泥岩，上部为灰黑色页岩、炭质页岩夹砂岩，厚40～50 m。第四段为蓝灰—灰褐—灰绿夹杂色砂岩、泥岩、页岩互层，厚0～96.5 m。二段至四段发育于灵武、吴旗、延安一带，其它地区遭不同程度剥蚀，南部剥蚀严重，富县以东缺失。在大理河以南、葫芦河以北、吴旗以东缺失煤层，其余地区煤层发育，向西、西北和北部煤层层数增多，单层厚度增大。延安组泥质岩含植物、双壳类化石，一般厚200～300 m，与富县组连续沉积，富县组缺失时与延长群假整合接触，与上覆直罗组为假整合接触。
延安组含煤岩系分布面积广，煤层产状及发育程度不同，一般含煤9层，最多达27层，单层最大厚度34 m，最大累厚37 m以上。煤层发育多属泛滥平原相区，煤层多发育在沉积旋回中上部位，主采煤层横向展布较为稳定，神府2号煤层厚3～12m，在数千平方千米范围分布稳定。由于侏罗纪时期盆地古地貌为北高南低，致使南北含煤差异明显，北部以大型三角洲及泛滥平原为主，成煤相带宽阔，煤层层数多，厚度大，分布稳定；南部开阔湖泊沉积环境，古地形差异较大，成煤相带狭小，煤层层数少，厚度薄，分布不稳定。盆地西部含煤变化较大。