1.中—晚元古代拗拉槽裂陷盆地阶段
古元古代末期吕梁运动以后，鄂尔多斯地块最终拼合成为不稳定的统一陆块。从中元古代早期开始，中国大陆发生裂解，华北陆台南缘和北缘分别形成秦祁和兴蒙两个大洋裂谷。受其控制，相继在华北陆台南缘产生了一系列拗拉槽，从西到东包括贺兰、晋陕、晋豫陕拗拉槽，它们呈北东、北北东向展布，向北东方向收敛，向西南方向敞开并与秦祁海槽相连，共同组成三叉裂谷系。贺兰拗拉槽为秦祁贺三叉裂谷的夭折谷，中元古界下部以碎屑岩为主，上部以碳酸盐岩为主，总厚度达1700m。中元古代末的蓟县运动使本区一度上升为陆而处于剥蚀状态。新元古代沉积只分布在贺兰山—陇县—洛南一带的低洼地带。
2.早古生代边缘海盆地阶段
早古生代和晚古生代—早、中三叠世阶段，鄂尔多斯盆地主体分布区只为大华北克拉通大型统一沉积区的一部分。谈其发育构造背景就必须结合大华北克拉通的构造演化特征。
早古生代阶段，构造沉积演化主要受控于古亚洲动力体系，大华北克拉通（地块）表现为稳定的整体升降运动，受南北两侧洋盆的影响，属于陆表海盆演化阶段，在多幕快速海进和缓慢海退演化过程中，全区沉积了一套稳定可追踪和对比的以碳酸盐岩为主的寒武系和中、下奥陶统。
其中，早古生代早期秦祁贺三叉裂谷系重新发育，贺兰裂谷被遗弃为拗拉槽，秦祁海槽进一步发育成大洋，洋盆处于扩张阶段，鄂尔多斯南缘为被动大陆边缘环境。处于北侧的兴蒙海槽是在中元古代窄洋的基础上发展起来的，自新元古代至早古生代早期，它主要为被动大陆边缘构造环境，处于洋底扩张阶段。在两者控制下鄂尔多斯地块乃至整个华北地块处于陆表海环境，主体上呈北隆南拗是一个面向秦祁海洋的宽广陆架。在此陆架上沉积了以碳酸盐岩为主的寒武系和中、下奥陶统，沉积厚度400～1000m，贺兰拗拉槽及地块西南缘沉积厚度为2000～3000m。
中奥陶世末，秦岭洋壳向北俯冲，兴蒙洋壳向南俯冲，导致弧后洋盆的封闭和弧陆碰撞。结果使华北地块整体抬升，陆表海消失，并在地块南、北边缘形成了加里东褶皱带，拼接于地块的外侧。鄂尔多斯地台及贺兰拗拉槽整体抬升遭受侵蚀，地台内部表现为整体抬升，既无褶皱又少断层，期间经历了14亿年的沉积间断和剥蚀，缺失了晚奥陶世—早石炭世的沉积，同时也结束了华北陆缘海盆的地质历史。
3.晚古生代—早、中三叠世大型内克拉通盆地阶段
早古生代中晚期，整体隆升为陆，遭受长期的风化剥蚀。晚古生代—早、中三叠世时期，仍处于古亚洲动力体系控制，到中石炭世华北地区所受挤压作用曾一度出现过松弛，整体沉降再度接受沉积。此后，南北两方向的对挤应力不断加强，大华北克拉通北面的兴蒙海和南侧的秦祁海相继关闭，发生褶皱造山，克拉通盆地南北边界形成，海水退出，沉积环境完全转变成了大陆体制，大华北地区由内克拉通陆表海盆演变成克拉通内陆坳陷盆地。
其中，晚古生代早期，加里东运动使鄂尔多斯地块南北两侧边缘地带成为隆起，限定了沉积边界，阻隔了海水从南北两侧进入地块内部，从而形成了晚古生代大华北内克拉通盆地。晚古生代晚期，南北两侧海槽转入挤压应力状态，兴蒙海槽封闭，秦岭海槽缩小，形成海西期褶皱带，鄂尔多斯地块整体抬升，海水完全退出，从早二叠世下石盒子组沉积开始，进入内陆克拉通盆地发育阶段，以河湖相沉积为特征，这一阶段延续到中生代早、中三叠世，所不同的是早、中三叠世的沉降速率有所增加。