贺兰山地层发育比较齐全,化石也比较丰富。自古生代至第四纪地层大都完备,仅缺失晚粤陶世一早石炭世的沉积。前寒武纪的太古界和上元古界与麻岩片石英岩均有出露,见于柳条沟、大武口沟等处。下古生界寒武系的石灰岩、砂岩、页岩发育良好,分布普通。上古生界则以石炭与二迭系地层同等发育为特点,见于石炭井、苏峪口、石嘴山等地,以页岩、砂岩等为主,并含有煤层。中生界三迭系地层广泛分布,侏罗系次之,前者以砂岩、砾岩、页岩为主,为组成山体的主要地层;后者主要见于汝箕沟、古拉本等地,以各种砂岩为主,为本山区主要产煤地层之一。白垩系和第三系地层都不发育。在山前地带和山间低地广泛分布着第四系冲积洪积、风积物和山麓堆积物等。