固原市在地层上处于华北地层和祁连地层区内，两区以龙首～六盘深断裂为界。华北地层区的次级单元为陕甘宁盆缘分区，彭阳县和泾源县、原州区的部分地区位于该分区的平凉小区内。其余大部分地区位于河西走廊～六盘山分区的六盘山小区和北祁连分区的靖远～西吉小区内。平凉小区内地层分布特点是：下元古界、寒武系、奥陶系、石炭系至侏罗系均很发育，但因黄土大面积掩盖，仅零星见于残山或沟谷中；下白垩统广泛分布，厚度较大；新生界较发育，遍布全市。六盘山小区地层发育极不完全，缺失古生界、三叠系、侏罗系、上白垩统和古新统。下元古界零星分布。早白垩世接受了巨厚的河湖相碎屑岩沉积，砂岩中具铜矿化。靖远～西吉小区出露最老地层为下元古界，古生界只有中～下泥盆统；新生界分布最广，缺失古新统。大部分地区为第四系黄土覆盖，构成黄土丘陵。

由于地质构造的不同，加之经历了畜牧业～农牧业～旱作农业的不同发展阶段和自然条件的影响，形成土壤类型不一，但主要土壤可划为三类：⑴黑垆土。这是主要土壤类型，占总面积的66.4%，分布于山地以外的广大地区，即气候上的半湿润和半干旱区。⑵山地土。分布占总面积的33.6%，包括山地草甸土、山地棕壤土和山地灰褐土三个层次。它们自上而下地分布在六盘山、月亮山等高山地区