陕甘宁盆地分区以发育中、新生代陆相地层为特征。现就境内出露地层按自下而上的次序分述于下:
　　一、三叠系(T)
　　1.下三叠统(T₁)
　　刘家沟组(T₁L)):是一套河流相为主的灰白、紫红及紫灰色砂岩,夹有少量粉砂岩、泥质粉砂岩和砂质泥岩以及多层不稳定砾岩。与下伏二叠系上统孙家组为连续沉积。
　　和尚沟组(T₁h):是一套以湖泊相为主的棕红、桔红、紫红泥岩、砂质泥岩,以富含钙质结核为特征。与下伏刘家沟组连续沉积,共同组成一个沉积旋迴,厚100多米。含丰富化石。
　　2.中三叠统(T₂)
　　纸坊组(T₂Z):与下伏和尚沟组为平行不整合接触。岩性可分为两段,下段为紫色、黄绿色块状细砂岩夹粉砂质泥岩;上段为暗紫色粉砂质泥岩夹页岩、细砂岩。下段厚250米,上段厚度变化大。含植物、介形虫、双壳类及脊椎动物化石。
　　铜川组(T₂t):下段以黄绿、灰绿、黄色细砂岩为主夹粉砂质泥岩、粉砂岩;上段为灰黑、灰绿色页岩、油页岩、泥质粉砂岩与粉砂质泥岩,厚度600～700米。含植物、双壳类、介形虫、叶肢介、昆虫等化石。与下伏纸坊组鳌合接触。
　　3.上三叠统(T₃)
　　胡家村组(T₃h):与铜川组连续沉积,岩性以灰色、灰绿色厚层块状中粒砂岩为主,夹泥质岩,有煤线、油页岩。为主要含油层。含植物、介形虫等化石。
　　永坪组(T₃y):为灰绿、黄绿色厚层状细砂岩、粉砂岩与泥岩互层。为又一重要含油层位。含植物、双壳类、介形虫等化石。与胡家村组整合接触。
　　瓦窑堡组(T₃W):黄绿、灰黑色泥岩与砂岩、粉砂岩互层,夹煤层或煤线。含植物、双壳类、介形虫、叶肢介等化石。与下伏岩层整合接触。
　　二、侏罗系(J)
　　1.下侏罗富县组(J₁f):见于钻孔内。岩性为含粒的杂色铝土页岩,厚层状,块状砂、砾岩等。偶见煤线与油页岩。与下伏上三叠统为整合到平行不整合接触。
　　2.中侏罗统(J₁y)
　　延安组(J₂y):分两个岩性段。下部为宝塔山砂岩段,由细粒、粗粒砂及含砾砂岩组成;上段为枣园段,为砂岩、页岩与泥岩不等厚互层,夹煤线或煤层。本组以含大量暗色页岩、泥岩为主要特征。与富县组为平行不整合接触。为含煤、油的重层位。含植物化石丰富。
　　直罗组(J₂z):主要是一套黄绿、灰绿色砂岩及蓝色、灰紫色等杂色泥岩、泥质粉砂岩,从上到下构成了两个明显的沉积旋迴,以发育大量砂岩为特征。厚度变化大。本组含油、气及薄煤层。与下伏延安组为平行不整合接触。含
　　植物、双壳类等化五。
　　安定组(J₂a):零星分布。岩性为一套黑色、灰黑色页岩、紫红色砂岩与蓝灰色泥质岩。厚度不全。与下伏直罗组整合接触。
　　三、白垩系(K)
　　下白垩统为志丹群(K₁z),以湖泊相为主、河流相为副的沉积组合。含双壳类、介形虫、鱼、植物、轮藻等化石。自下而上分为:
　　宜君组(K₁z¹):为一套山麓相的杂色砾类夹层岩、泥岩条带或砂岩透镜体,是志丹群的底砾岩。与下伏侏罗系地层整合或平行不整合接触。
　　洛河组(K₁z²):为一套河流相的(也有怀疑为风臧的)紫红、灰紫色粗中粒长石砂岩,斜理极为发育,厚200～400米。与下伏宜君组连续沉积。
　　环河—华池组(K₁z³⁺⁴):岩性主要为杂色泥岩、砂质泥岩、砂岩等。与洛河组连续沉积。
　　罗汉洞组(K₁z⁵):岩性下部为桔红色细砂岩、紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩与粉砂质泥岩,上部为棕灰、灰紫色粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹灰白色细砂岩。
　　四、第三系(N)
　　第三系发育不全,只有上新统(N₂)出露,主要分布在中生代的夷平面上,构成黄土塬的基础。岩性为河湖相深红、紫红及棕红色粘土岩、砂质粘土岩,富含钙质结核,底部有砂砾岩,与下伏白垩系地层呈不整合接触。含三趾马动物群成员化石。
　　五、第四系(Q)
　　第四系发育较好,从下统至全祈统都有出露,主要为黄土堆积,构成黄土高原之骨架;次为风积沙、河湖积及冲、洪积的粗粒沉积。
　　1.下更新统(Q₁)
　　多掩埋于地下,不整合在第三系之上。自下而上可分为:
　　三门组():河湖相沉积,与下伏基岩为不整合接触。岩性为棕红色、蓝灰粘土、砂质粘土、粉细砂、中粗砂及砂砾石层,厚度10多米。
　　午城组():岩性为浅棕红、桔红色石质黄土,夹钙质结核层与黄土状砂质粘土层。质地致密,古土壤层密集。底部往往有一层砾石层断续出现。含哺乳动物化石。与下伏三门组呈整合或平行不整合接触。在石门关还有一组洪积型沉积物。岩性为杂色砂、砾石组成的卵石透镜体,中夹亚砂土、亚粘土,厚度50～60米。砾石分选不好,磨圆较差,砾径10～50厘米,成分以灰岩、砂岩、变质岩为主。
　　2.中更新统(Q₂)
　　主要为黄土堆积,称离石组(),与下伏午城组呈平行不整合接触。下部为浅棕黄色粘土层,上部为浅黄褐色黄土状粉砂土层,夹有多层棕红色古土壤层。岩性稳定,厚度变化较大。
　　3.上更新统(Q₃)
　　萨拉乌苏组():为河湖相及风积相砂质粘土,砂及砂砾石层,含萨拉乌苏动物群化石。与下伏中更新统呈平行不整合接触。
　　马栏组():分布在黄土塬、梁顶部,为风成灰黄色黄土,夹1～2层褐红色古土壤层,很少含生物化石,厚5～40米。芎下伏地层平行不整合接触。
　　4.全新统(Q₄)
　　分布广泛,成因类型复杂,组成各地的最新覆盖。黄土塬区以风成、冲积及坡残积次生黄土层为主,厚度大于5米。
　　现代沉积:有各种成因类型,与现代地貌特征关系密切。河漫滩、沟掌以现代冲积亚砂土、亚粘土及砂砾石层为主;黄土塬边沟坡为坡残积、重力滑动及泥流堆积,与下伏老地层呈不整合接触。