淮北市范围所处大地构造单元，属中朝准地台南缘，鲁西隆起区南段，亦即秦岭纬向构造带东延北支与苏、皖新华夏系的复合部位。
一、地层
境内地层隶属华北地层大区、淮河地层分区中的淮北小区范畴，为标准的北相地层。按地层时代，由老至新为上元古界、古生界、新生界。
1、上元古界境内缺失中、下元古界，仅有上元古界，震旦系下统徐淮群的九里桥组及四顶山组，其形成距今约8亿年，是境内最古老的地层，出露于濉溪县东北部的馒顶山至老龙脊一带。岩性以砂质、泥质灰岩、灰质白云岩、白云岩为主，产迭层石及各种藻类化石，出露厚度约100米。
2、古生界据出露的地层及钻探资料证实，境内古生代地层除铁失泥盆系、志留系、奥陶系上统石类系下统外，其余地层均存在。由老至新分别为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系。除寒武系与下优震旦系为超覆平行不整合接触，奥陶系与上覆的石炭系，下伏寒武系为假整合接触外，其余各组、段均系连续沉积。
寒武系岩性均系滨海相碎屑岩、浅海相碳酸盐岩沉积。总厚度730～1101米。下统岩性为豹皮状灰岩，肝紫色页岩，含海缘石灰岩，薄层灰岩，泥质灰岩，瘤状灰岩等，是大理石的产出层位，厚251～290米。中统岩性有长石石英粉砂岩、砂灰岩、鲕状灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩，是水泥灰岩、熔剂白云岩的产出层位，厚322～488米。上统岩性有薄层灰岩、白支质灰岩、鲕状含海缘石灰岩、竹叶状灰岩、含灰质白云岩、白云岩等，是水泥灰岩、熔剂白云岩、大理石的产出层位，厚157～323米。本系以华北型三叶虫动物群为代表的生物门类繁多，除三叶虫外，还有头足类、笔石、腕足类、腹足类、软石螺、牙形石等。境内东部的馒顶山一带和北部的滂汪山、相山一带有广泛的出露。
奥陶系在境内仅发育其下统及中统的下部。下统岩性有钙质页岩、白云质灰岩、灰岩、含硅质结核灰岩、豹皮状白云质灰岩、角砾状灰岩、薄层状泥质白云质灰岩，是境内优质水泥灰岩的主要产出层位，厚352～521米。中统岩性为灰质白云岩类薄层灰岩，厚34～41米。本系总厚386～562米，广泛出露于化家湖附近和烈山、十里长山、相山西侧一带。生物群属华北类型，头足类以珠角石为主，还有三叶虫、腕足类、双壳类、腹足类、笔石层孔虫和牙形石等。
境内在奥陶系的古风化壳上仅沉积了上石炭统，总厚度138～156米。下部岩性为钙铝质粘土岩，含灰岩一层，含赤铁矿结核及类铝土页岩，但其含铁量和铝、硅比值都偏低，未达到铁矿、铝土矿的工业指标，厚18～36米。上部岩性灰岩、砂岩、泥岩、炭质泥岩、薄煤层3～11层，煤层不稳定，大部分不可采，而且煤质差、含硫分高，厚120米左右。石炭系盛产蜓类、腕足类、植物等化石。本系除在渠沟以北至任井孜、大山头至王庄附近，化家湖北侧有零星出露外，境内主要隐伏分布于平原地区。
二叠系分为下统和上统。下统是境内主要含煤地层，岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩互层，盛产植物化石，主要隐伏分布于平原地区，仅在烈山至青龙山的西坡部分出露。上、下分为下石盒子组，山西组两个组。下部山西组厚120米左右，一般含D、C两个煤组（D煤或称10煤），其中D煤组厚而稳定，分布甚广，为该区主要可采煤组。上部下石盒子组厚100米左右，含E、F、G、H4个煤组。其中F、G（或称8、7煤）煤组，层位稳定，厚度大，煤质好、低硫，为境内主要可采煤组。该组底部普遍发育一层铝土泥岩，厚一般6～8米，分布稳定，既是煤层对比的可靠标志，也是良好的硬质耐火粘土矿产、陶瓷及造纸原料。该层铝土泥岩（硬质高岭土）经Ｘ衍射，差热、红外光谱、电镜分析鉴定，主要矿物成分高岭石，次为蒙脱石、水云母、菱铁矿、石英、金红石、针铁矿等。上统分为两个组，下部的上石盒子组，隐伏分布于闸河煤田、临涣煤田等诸煤田中，厚560～630米。岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩互层。发育L（或称3）、M、N3个煤组，境内北部不发育，南部层位稳定，L煤层较好，为局部可采煤组。本组富含植物化石，上部为石千峰组、厚度大于800米，岩性为紫红色粉砂岩、泥岩、砂岩互层，仅隐伏分布于境内南部的尤沟集至南坪一带。
3、新生界新生界的下第三系，岩性为砖红色和浅灰色砾岩、砂岩、砂质页岩、泥岩，局部夹薄层石膏，呈不整合覆于下伏地层之上，厚度变化较大，为138～349米。地表无出露，隐伏分布于南部的大李家、海孜、南坪一带。上第三系至第四系，岩性以砾石、亚粘土、亚砂土为主，呈不整合覆于下伏地层之上。厚度变化较大，境内的东北部较薄，西南部较厚，最大厚度约500米。广泛分布于境内的平原地区。
二、构造
淮北市位于华北聚煤区的东南边缘地带，处于秦岭地槽褶皱系东延部分的南、北分支与中朝准地台的东南部、鲁西隆起南端的复合部位。该区内的构造变化是比较复杂的，形成目前的构造格局是经过多期、多向、多种构造体系复合的产物。多次构造运动对本区都有影响，其中以印支至燕山早期构造运动最为强烈，使之完全改变了原始沉积面貌。
1、褶皱北北东向I、Ⅱ级褶皱是纵贯南北的复式背、向斜相间平行展布，自西向东有：蒋河至五沟向斜系。境内保存较好的有蒋河复式向斜、百善向斜、五沟向斜。蒋河复式向斜，轴向近南北，长达50多公里，区内仅有其南段，分布于钟楼、刘桥一带，全被新生界覆盖。核部开阔，两翼平缓，保存着完好的二迭系含煤岩系，次级褶皱发育。其最南端昂起部为刘桥煤矿区。百善向斜，位于百善集以北，大刘家断层以南，轴向近南北，并向西凸出呈月牙形。南北长13公里，东西宽最大6公里。两翼地层倾角平缓，一般为5度左右，属舒缓对称短轴向斜。核部为下石盒子组，百善煤矿位于该向斜之中。五沟向斜，位于童亭背斜之西南，五沟至界沟一带。轴向近北北西，长约15公里。核部为下石盒子组，两翼为山西组、石灰系，地层倾角一般10～20度。向斜中分布有界沟、五沟、袁店煤矿。
萧县至童亭背斜系，由于枢纽起伏及断层的分割错动，将萧县至童亭背斜系自然划分成萧县复背斜、徐楼背斜和童亭背斜。萧县复背斜，轴向北北东至南北向，略呈向ＮＷ凸出的弧形，长达45公里，境内仅有其南端，分布在相山的南北附近，核部为寒武系下统，两翼地层为中、上寒武统至石灰系，一般东翼较缓（15～50度），西翼较陡（50～80度），甚至倒转。徐楼背斜，为一隐伏背斜，分布于徐楼至楚庙一带，轴向北东，长约20公里，宽7公里。核部为奥陶系下统，西翼地层倾角25～30度，东翼倾角稍陡。核部有闪长玢岩体侵入，在其与奥陶系石灰岩的接触带形成了石楼铁矿。童亭背斜，隐伏分布于童亭至郭集一带，核部为奥陶系，四周由石炭、二叠系自然封闭。轴向近南北，稍偏北北西，南部向南东方向偏转，轴面近于直立，长约18公里。核部宽5公里，枢纽向南北倾伏，属短轴背斜，东翼倾角15～20度。两翼煤系地层发育，煤炭储量丰富，韩村、临涣、任楼、许疃煤矿均在其中。
闸河至南坪向斜系主体划分为闸河复向斜、烈山至蔡山向斜、南坪向斜。闸河复向斜，西依萧县背斜，东部被皇藏峪复背斜所挤压，为一隐伏向斜，轴向北北东，长约48公里，宽约10公里。境内分布于沈庄煤矿至杨庄煤矿一带。向斜内次级褶皱发育，核部主要为上石盒子组构成。地层倾角较为平缓，一般为10～20度。本向斜勘探和开发程度很高，已投产有沈庄、袁庄、朔里、石台、岱河、张庄、朱庄等11对煤矿井。烈山至蔡山向斜，轴向北北东，核部为上石盒子组，两翼由下石盒子组至石炭系构成。地层倾角西翼10～20度，东翼较陡。向斜北段东翼被青龙山断层破坏，发育不完整。北端由于被近于东西向断层切割，自然地分为烈山向斜、蔡山向斜。轴向长约18.5公里，其中烈山向斜轴向长3.5公里。向斜内有烈山蔡山煤矿。南坪向斜，位于宿北断裂以南，轴向近于南北，核部比较宽阔，由石千峰组构成，翼部由上石盒子组至山西组构成。枢纽南部昂起，而北部被二铺岩体所侵入破坏。南北长约30公里，东西宽达20公里；西翼与童亭背斜正常转换，而东翼被断层破坏，其内部赋存有丰富的煤炭。皇藏峪复背斜轴向北北东，长约50公里，境内仅有其南段，出露分布于东部的北山、蔡里、马桥一带，主要由寒武、奥陶系组成。核部位于馒顶山，由震旦系构成。该复背斜内水泥灰岩、白云岩、建筑石料储量丰富。
2、断裂境内的断裂构造，突出的可归纳为3种体系：东西向和近东西向断裂，以符离集断层为代表，它是淮北市境内最大、活动时间最长的一条纬向构造，位于宿县以北符离集东西一线，长125公里，境内长45公里。断层性属正断层，断层面倾向南，倾角较陡且东西变化较大，断距大于700米。因断层沿线两侧分布着许多闪长岩类岩体，故此断层应为导岩、导矿断层。
北北东向断裂，是境内的主干断裂，东部多为北北东向的逆断层或逆掩断层，而西部多为正断层，成组出现，长短不一，成生的力学性质相同，为黄集断层组、刘桥断层组、萧县至相山断层组、南坪断层组等。
北西向、北东向及近于东西向的小型断裂，规模较小，其力学性质较为复杂，断层性属多正断层或平推正断层。
三、岩浆岩
境内未见喷出岩，侵入岩分布较广，一般规模较小，多以岩床、岩脉产出，少数呈岩株。除东北部有少量岩脉、岩床出露外，余者皆隐伏于第四系之下。
境内绝大多数侵入岩为燕山早期侵入岩。最大的三铺岩体，面积有50余平方公里。较大的岩体有邹楼、石楼、十里长山等岩体，其同位素年龄在128～174百万年间。岩性以闪长玢岩为主，石英闪长玢岩、闪长岩次之。闪长玢岩呈灰至灰绿色，斑状结构，斑晶成分以中长石为主，少量角闪石、黑云母及石英。中长石呈自形至米自形，具环带状构造和清晰的聚片双晶，粒径一般为0.5～3毫米，基质为细晶至微晶结构，矿物成分由中长石、角闪石、钾长石及副矿物组成。闪长玢岩的各种主要矿物为：中长石75～85%，角闪石5～20%，石英0～5%，钾长石0～20%。其围岩多为寒武系、奥陶系。围岩常见大理石化、矽卡岩化。在接触带附近往往形成接触交代型铁铜矿床、铁矿床、铜金矿床。
燕山晚期侵入岩，仅发现有濉溪县后马场岩体，呈岩墙状侵入。岩墙走向北北西，倾向南西，倾角70度以上，长700米，宽100米。岩性较复杂，且具明显的垂直分异现象，自上而下依次可分为黑云母闪长岩、辉长—辉绿岩、辉长岩、橄长岩。围岩为奥陶系下统萧县组，在岩浆冷凝时，形成了岩浆溶离型铜镍矿床。