一、地形、地貌
鄂尔多斯盆地位于我国西北地区东部，处于全国三大地形阶梯的第二阶梯之上。盆地四周被山地环绕，南为秦岭，北是阴山，东为吕梁山，西是贺兰山—六盘山。盆地主体由北部的沙漠高原和南部黄土高原构成，地势总体由西北向东南降低，局部地区起伏较大;盆地北部的东胜—盐池梁，海拔1500m左右，中部的白于山和东南部的子午岭，海拔1500～1800m，构成盆地内部的地表分水岭。沙漠高原上分布着库布齐沙漠和毛乌素沙地以及剥蚀丘陵，海拔1100～1500m，地形起伏相对较小。黄土高原地区沟壑纵横、切割强烈、地形支离破碎，海拔1000～1700m。覆盖厚度多在100～300m。盆地周围山地与鄂尔多斯盆地之间分布着3个较大的新生代断陷盆地，即渭河盆地、河套盆地和银川盆地。
鄂尔多斯盆地地貌可划分为山地、断陷盆地、沙漠高原和黄土高原4大地貌类型。大致以中部的白于山地表分水岭(长城沿线)为界，鄂尔多斯盆地可分为南北两个截然不同的地貌景观。北部沙漠高原是盆地内最主要的地貌单元之一，面积9.82×104km2，包括摩布齐沙漠、毛乌素沙地、乌兰布和沙漠及西部边缘地带，同时还包括展布于上述地貌单元之间的剥蚀基岩丘陵台地;其西北部以流动沙丘为主，东南部以固定半固定沙丘为主。南部黄土高原是盆地内面积最大的地貌单元，达14.45×104km2。断陷盆地包括银川平原、河套平原、土默特平原区和关中平原等，面积为5.08×104km2。鄂尔多斯盆四周的山地面积为758×104km2，山地以中山宽谷山地为主，如阴山、贺兰山、六盘山、吕梁山，盆地内部山地包括渭北北山、黄龙山。
二、水文、气象
鄂尔多斯盆地属欧亚大陆东部温带大陆性季风气候带，降水少、蒸发强烈，气温和降水量季节 性变化大，多年平均降水量为150～700mm。自东南向西北，年降水量递减。南部秦岭北坡降水量大于700mm，渭河盆地约600mm;向西北到呼和浩特—东胜—靖边—环县海原一线减至约400mm，乌拉特前旗、灵武、银川、中宁一带降至约200mm，河套西部的乌海、磴口地区约150mm。降水量年内变化大，分配极不均匀，6～9月降水量占全年降水量的60%～80%，愈向北该比例愈大;7～8月降水量最大，且多为暴雨。
蒸发量与降水量的变化趋势大致相反，白东南向西北递增。多年平均蒸发量一般1000～3500mm。在晋西、陕北和陇东地区蒸发量在1500～2000mm;宁南同心、陕北靖边和内蒙古地区蒸发量在2000～3500mm，其中西北部桌子山一带多大于3000mm。
鄂尔多斯盆地除沙漠高原中部的内流区外，均属黄河水系。黄河呈“几”字形在青铜峡附近流入本区，先向北纳入清水河、苦水河、都思兔河;在磴口折向东，形成宽广的河套平原，并纳入季节 性的摩林河以及源自东胜梁的毛丕拉孔沟、卜乌色太沟、思刺河、西柳沟、罕台川、吃什杭川等支沟;然后由托克托至龙门，黄河流经晋陕峡谷段，纳入众多的一级支流。龙门以下，黄河进入汾渭断陷盆地，河床平缓开阔，先后汇合汾河、渭河等黄河的大支流后由潼关向东流出区外。区内黄河全长1722km，汇水面积374725km2。
黄河及其主要支流总体上是鄂尔多斯盆地地下水的最终排泄基准面。在不同河段，河水与地下水的补排关系比较复杂。在银北和后套平原，黄河都是一岸补给地下水，另一岸可能存在鄂尔多斯高原地下水的汇入。在银南和前套平原，两岸地下水均向黄河排泄，丰水期河水也可补给地下水;晋陕峡谷段，黄河主要接受两岸地下水(主要为岩溶地下水)补给，局部地段黄河水也可补给岩溶地下水，如河曲和禹门口等河段，河水(包括水库水)对岩溶地下水有明显的补给作用，傍河水源地的可采资源量中河水补给占较大比例。
黄河支流。渭河是黄河最大的支流，横贯关中盆地中部，长502km。其北岸支流主要有金陵河、千河、漆水河、泾河、石川河、洛河等，以泾河和洛河最大。在黄河晋陕峡谷段还发育有众多的黄河一级支流，西侧有黄甫川、孤山川、窟野河、秃尾河、无定河、清涧河、延河和云岩河等。东侧有浑河、偏关河、岗漪河、湫水河、三川河、听水河等。北部沙漠高原还分布着内流水系。
鄂尔多斯盆地北部沙漠高原区分布有众多的湖(淖)，主要分布在毛乌素沙地，区内存在各类水体1299个，水域总面积为1872km2。鄂尔多斯盆地还分布自许多著名的大泉。其中，岩溶大泉主要有盆地东缘吕梁山西麓的天桥泉、柳林泉、盆地南缘的粪泉、处女泉、袁家坡泉、温汤泉、筛珠洞泉、东王泉;盆地西缘水沟泉、千里沟泉、拉僧庙泉、太阳泉、蒙城泉和郑家大泉。碎屑岩裂隙水大泉主要出露在侏罗系延安组煤系烧变岩空洞中，如青草界泉、榆阳泉。
三、地质、构造
鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，为一走向南北东缓西陡的中生代不对称向斜盆地，四周分别被阴山、秦岭、贺兰山、盘山、吕梁山等山系围限。盆地边界为断裂构成，北界为黄河断裂(磴口托克托断裂带)，西部为桌子山平凉断裂带，南部为渭河盆地北缘断裂，东部为离石断裂，鄂尔多斯盆地与山系之间发育有河套盆地(北缘)、银川地堑(西缘)、渭河地堑(南缘)、山西地堑(东缘)。
鄂尔多斯盆地自下向上总体由太古宇-古元古界结晶片岩、中新元古界浅变质碎屑岩碳酸盐岩及少量火山岩、寒武系-奥陶系碳酸盐岩和少量碎屑岩、石炭系-侏罗系含煤碎屑岩系和白垩系碎屑岩及新生界松散堆积组成，其中寒武系奥陶系碳酸盐岩、白垩系碎屑岩和第四系黄土砂层为鄂尔多斯盆地的主要含水岩系。
盆地基底由太古宇-古元古界结晶片岩和中新元古界浅变质沉积火山岩组成，主要出露于盆地周边造山带和构造隆起区，盆地内部深埋于地下。
盆地本部由伊盟隆起、伊陕斜坡、天环坳陷三部分组成，具有整体上升或沉降、斜坡平缓、构造简单微弱、地层水平、接触关系平和的构造特点。伊盟隆起，北以黄河断裂与河套断陷相隔，南与伊陕斜坡、天环坳陷相接，西与西缘逆冲带为邻，东连晋西挠褶带。伊盟隆起从古生代开始就常以陆地面貌出现，并与中央古陆时分时合，共同影响着鄂尔多斯盆地的演化与发展，控制着古生代和中新生代的沉积。其基底起伏较大、埋深小。盖层主要为下古生界及中生界，厚度一般小于千米，顶部仅数百米，甚至局部裸露变质岩。盖层由南向北超覆、减薄甚至尖灭，北部缺失下古生界，隆起中部为三叠系和侏罗系。天环向斜位于盆地西部呈南北向带状展布。西以磴口-平凉断裂与四缘逆冲带相邻，东与伊陕斜坡过渡，北抵伊盟隆起，南达渭北断褶带.天环向斜在古生代表现为西倾斜坡，晚三叠世开始坳陷，侏罗纪—早白垩世坳陷继续发展，并向东偏移。晚白垩世—新生代受西部的挤压使下白垩统形成现今西翼陡、东翼缓，轴部相对平坦，北部未封闭，地层保存较全的不对称向斜构造。伊陕斜坡又称陕北斜坡，位于盆地中东部早南北向矩形，介于伊盟隆起以南、渭北断褶带以北、晋西挠褶带以西，向西过渡为天环坳陷。北部与伊盟隆起呈北北东向交接，交接处形成红海子凹陷。新元古代和早古生代早期，该区一度为隆起区，晚寒武世、早中奥陶世接受海相碳酸盐岩沉积。晚古生代到中生代该区沉降，接受陆相沉积。中生代早白垩世，燕山运动导致山西地块上隆将盆地东部掀起，转变成一个向西倾的平缓单斜，区域构造也从北高南低转为东高西低，陕北斜坡开始形成，早白垩世之后到第四纪逐渐定型成现今的构造形态。
盆地周边构造带。西缘冲断带位于贺兰山-六盘山褶皱带以东，天环坳陷以西，北起内蒙古磴口，南抵陕西宝鸡一带，长约600km，东西宽30～80km。构造带处于我国北方东部构造域和西部构造域的交接部位，相对于盆地内部是一个构造活跃区域。西缘冲断带具沿走向分段、沿倾斜方向分带的特征。渭北断褶带，位于鄂尔多斯盆地南缘，两起千阳与天环坳陷相连，东经永寿、铜川、黄龙至宜川，北与陕北斜坡毗邻，东与晋西挠褶相接，南沿渭北北山及万斛山山前断裂与渭河断陷紧邻，呈向南弧形突出的北东向带状延伸。在中新元古代至古生代为一南倾斜坡，至中生代燕山期形成隆起，新生代渭河盆地断陷下沉，渭北呈一微向南东倾斜的阶梯状斜坡，断裂活动将该区切割成断阶及小型地堑和地垒。晋西挠褶带东以离石大断裂与吕梁隆起相隔，向西过渡为陕北斜坡，北起准格尔南至宁乡。在中新元古代-古生代处于相对隆起状态，仅在中晚寒武世、早奥陶世、晚石炭世及早二叠世有较薄的沉积。晚侏罗世升起与华北地台分离，燕山运动使吕梁山上升并向西推挤，加之基底断裂的影响，形成一系列近南北向的以短轴背斜为特征的褶皱带，成为鄂尔多斯盆地东部边缘。