东部被六棱山分隔，为桑干河谷地和浑河谷地。河北省阳原县大部分地区，即泥河湾盆地，也属于大同盆地的一部分。盆地边缘为冲沟分割的黄土台地和缓坡黄土丘陵，多为结构疏松的沙质黄土，厚度不大。由盆地边缘向中心依次为：冲沟分割的洪积台地、洪积倾斜平原、湖积冲积平原、河谷冲积平原等地貌类型。局部低洼地带有盐碱化现象。
盆地基底为前寒武纪变质岩系，唯朔州市以东是奥陶纪灰岩。基底地形起伏，在地表有明显反映，如黄花梁隆起，将盆地分为南（山阴）北（大同）两部分。
盆地内松散层以上新统最早，可见盆地形成在老第三纪以后。第四系地层最大沉积厚度约700米，北部有间歇性火山喷发活动及玄武岩流形成的台地和垅岗，当河流切过玄武岩盖时，形成罕见的平原峡谷地貌，盆地表面已受流水切割，桑干河及其支流恢河、浑河、黄水河、御河等流于其间。 大同盆地
盆地处于东南季风的尾闾，年降水量400毫米左右，年均温7℃左右，属温带半干旱地区干草原栗钙土地带，生长最盛的是长芒草。盆地内大同市为著名“煤海”，京包和同蒲铁路的枢纽，建材工业也居全省首位。朔州市为新兴工矿区。
位于省境北部桑干河上游，是一个周围环山东部有缺口的断陷盆地，呈北东—南西向展布，长约200公里，宽约20～40公里，总面积约为6000平方公里。全境除东部有30余座火山和玄武熔岩垅岗外，其余皆为洪积、冲积和湖积物。
盆地周围山麓地带，普遍发育着洪积扇，组合成山麓倾斜平原。大同至朔州一带桑干河两岸，地面平坦宽广，是盆地的中心，是本区农业生产的重点地区，部分地势低洼的地方，排水不良，有不同程度的盐渍化现象。
大同盆地由于地势较高，降水少，风力强和土壤质地粗，加之不合理的垦殖和利用，地面植被遭到严重破坏，风沙肆虐，屡见不鲜，朔州市城东一带，已见到雏形沙丘和沙地。
本区的农业发展应以开发、改良盐碱地和治理风沙相结合，改善农业生态环境，走农、林、牧全面发展之路。
在大同盆地西缘的口泉断裂发现有历史记载以前的古地震形变遗迹。
口泉断裂展布于大同盆地西缘，是一条控制盆地形成与发展的主干断裂，新生代中新世时期，以右旋倾滑正断层活动方式运动，垂直差异运动幅度达3000米，全新世以来仍有明显的强烈活动。在口果断裂的大峪口一口泉段保存有典型的古地震形变遗迹，如地震陡坎、地震崩积楔和地震断层等。
根据考察资料初步分析，大同盆地口泉断裂全新世以来有过3—4次古地震事件，其震级估计在7级以上，平均发震时间间隔大致为2000年左右。大同盆地口泉断裂古地震遗迹的初步发现，将对大同盆地的地震活动特征及地震危险性评估和地震烈度区划研究具有一定意义。
大约在二三百万年前，大同一带是一片浩 瀚的湖水，考古工作者把这个湖叫“大同 湖”，它是个封闭的内陆湖。那时候这里 气候温暖、雨量充沛，参天乔木遍布湖畔。 野马、披毛犀、大角鹿在这里追逐奔驰； 多刺鱼、鲤鱼在湖中自由嬉戏。据考古工 作者考证：随着地壳的升降运动和干湿交 替，大同湖发生过无数次变化，最后于数 万年前悄然消逝了。