据地壳演化的物质记录和现代地层学的研究，乌海地区在前元古代时期为地槽发展阶段，地壳活动性强烈，沉积大量的海底火山喷发岩，碎屑岩及部分镁质碳酸盐岩。太古代末至早元古代因受五台、吕梁运动影响，地槽发生回返变动，使太古界地层产生强烈褶皱并伴有花岗岩及多种脉岩侵入活动，以及复杂的区域变质，动力变质作用，从而使上述时期形成的地层岩石成固结稳定的地台结晶基底，即由现在出露于千里山、桌子山及贺兰山北段地区的上太古界“千里山群”变质岩系组成。

自太古代末期地壳上升为陆地，该区长期处于沉积间断，直至中元古代长城纪才重新下降，接受以碎屑物为主的滨—浅海相沉积（即长城系西勒图群），其后又处于上升剥蚀环境。

到古生代的寒武纪，地壳再次下降成海洋，沉积较厚的寒武系和奥陶系碎岩及碳酸盐岩。至中奥陶世末期，由于受加里东构造运动的影响，使地壳复而长期上升为陆，缺失晚奥陶世、志留纪、泥盆纪乃至早石炭世的沉积作用。从中石炭世开始，大面积地壳又有所下降，并且处于气候温和潮湿、植物茂盛时期，使中石炭世至早二叠世形成一套广泛分布的滨海及海陆交互相含煤沉积建造。

自二叠纪末期接受海陆相沉积以后，因受华力西运动影响，地壳有所抬升，使整个中、新生代本地区全为陆地，所见零星分布的三叠系、侏罗系、白垩系、第三系及第四系均为河流、湖泊、山间盆地及山麓堆积相地层。其中早侏罗世时期气候温湿，植物茂盛，形成较多的煤层。

从侏罗纪末期至白垩纪末期，燕山运动在该地区表现强烈，使整个前第三纪地层发生较强烈的褶皱和断裂变动，形成近南北走向的褶、断山体和隆起带（即贺兰山一桌子山脉）。此后大部分地带遭受剥蚀，仅在该区西北及东南等低洼地带有第三纪的河流、湖泊相沉积。在20世纪至今，又经历着喜马拉雅升降运动的影响，从而结束第三纪的沉积，并使该地区近东西向及南北向断裂构造有进一步地发育和复活，黄河地堑式断陷从更新世开始形成。