地质构造单元上属华北地台的鄂尔多斯台斜、陕北台凹的中北部。东北部靠近东胜台凸，是块古老的地台，未见岩浆岩生成和岩浆活动，地震极少。地势由西部向东倾斜，西南部平均海拔1600--1800米，其他各地平均海拔1000--1200米。最高点是定边南部的魏梁，海拔1907米，最低点是清涧无定河入黄河口，海拔560米。地貌分为风沙草滩区、黄土丘陵沟壑区、梁状低山丘陵区三大类。大体以长城为界，北部是毛乌素沙漠南缘风沙草滩区，面积约15813平方公里，占全市面积的36.7％。得到治理的沙滩地郁郁葱葱；海子(湖泊)星罗棋布。南部是黄土高原的腹地，沟壑纵横，丘陵峁梁交错，水土流失得到初步控制，生态环境有了较大改善。面积约22300平方公里，占全市面积的51.75％。梁状低山丘陵区主要分布在西南部白于山区一带无定河、大理河、延河、洛河的发源地。面积约5000平方公里， 占全市面积11.55％。地势高亢，梁塬宽广，梁涧交错、土层深厚，水土侵触逐步得到治理。