沁水盆地是华北古生代克拉通盆地经期后改造变形在山西隆起背景上形成的沉积构造盆地。石炭、二叠系发育有含煤岩系，形成石炭、二叠纪含煤盆地。
华北陆块结晶基底为太古宇—古元古界深变质及浅变质岩系，中元古代至震旦纪前拗裂槽发育，形成滨海、浅海相碎屑岩、碳酸盐岩沉积建造。震旦纪至古生代是陆缘发展阶段，亦是克拉通盆地形成和发展的时期。震旦纪呈现非均衡性升降，陆块第一次大部隆升为陆，陆块东部为正常海相沉积，南部及西部为冰碛岩沉积。早古生代陆块处于构造稳定阶段，寒武系平行不整合于震旦系之上，陆块整体下沉为浅海陆棚沉积，局部出现差异升降，晚奥陶世除西部贺兰山外华北陆块大部在中奥陶世末第二次隆升为陆，整个陆块缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统沉积。震旦纪至早古生代为海相碳酸盐岩、碎屑岩沉积，形成早期克拉通盆地。具有广泛造陆性质的加里东运动，使华北陆块整体隆升剥蚀夷平，亦为晚古生代华北含煤盆地的形成准备了古构造、古地理条件。石炭纪构造环境稳定，上石炭统超伏于下古生界地层之上，形成了滨海—浅海相、海陆交替相含煤沉积。华力西期末至印支晚期，华北板块与南、北相邻板块对接，华北陆块第三次抬升为陆，普遍接受了陆源碎屑沉积，从此结束了华北克拉通盆地发育历史。
早、中三叠世，贺兰山以东的整个华北陆块，呈现为北高南低的丘陵山地地貌，三叠系与二叠系为平行不整合或连续沉积，沉积了陆内河流湖泊相砂泥岩，沉积岩层自北而南增厚。晚三叠世，太行山断裂带以东的陆块相对抬升遭受剥蚀，太行山断裂以西及西南部沉积了内陆河湖相砂泥岩。燕山运动是一次强烈的陆内造山运动，来自库拉-太平洋板块对亚洲大陆的推挤，左旋扭压应力形成一系列北北东向断裂带，华北陆块的郯庐断裂带、太行山断裂带将陆块分割为几个块体，自东而西为胶辽隆起带、华北沉降带、山西隆起带、鄂尔多斯沉降带、阿拉善隆起地块。太行山断裂以西的鄂尔多斯盆地及山西隆起带在早、中侏罗世继续沉积了陆相河湖砂泥岩，由于盆地东部抬升沉降中心移至西部，太行山断裂以东形成一系列断陷盆地，并发育了大规模的火山喷发岩和中酸性侵入岩。三叠纪晚期开始抬升的山西隆起，在挤压应力作用下周缘的前三叠纪沉积岩层隆升翘起遭受剥蚀，中部拗折下陷，核部保留了三叠系沉积地层，经变形改造石炭系地层形成圈闭，形成大型复式向斜，构成沁水沉积构造盆地，在其北部同时形成大同、宁武—静乐等小型构造盆地。在喜马拉雅期，受滨太平洋构造域的影响，断块活动仍然剧烈，燕山期初具雏形的下辽河、渤海、华北坳陷，在新生代形成大型坳陷盆地，北北东向的汾渭地堑从沁水盆地西翼切过叠置其上。
沁水盆地位于山西隆起南部，盆地似椭圆形，长轴沿北北东方向延伸，南北长300 km，东西宽150 km，面积4.2×104 km2。沁水盆地为一北北东向复式向斜，两翼不完全对称，西翼较陡10°～20°，东翼较缓10°左右，复向斜轴线位于榆社—沁县—沁水一线，构造较为简单，断裂不甚发育，东西两侧似对称状，南北两端翘起呈箕状斜坡，边侧下古生界出露区为倾角较大的向盆内倾向的单斜，外围较陡向盆内逐变平缓，褶皱比较发育，褶曲幅度不大，面积较小。盆地西部、西北部被汾渭新生代地堑所叠置，中部双头—襄垣断裂呈北东东向横切盆地中南部。
沁水盆地地层分布具有典型复式向斜特征，边缘出露老地层，盆内出露新地层，下古生界地层在盆地四周出露地表，向盆地内部依次出露上古生界、中生界地层，盆地中部大面积出露三叠系地层，侏罗系地层仅在太谷一带出露。石炭系上统下部本溪组为黑、灰黑色铝质泥岩、粉砂岩、细砂岩夹薄层煤及灰岩，底部铝质岩、铝质泥岩，厚0～75m，北、中部厚，南部薄。上统上部太原组为灰、灰白色砂岩，灰、灰黑色粉砂岩，砂质泥岩、泥岩夹煤层及石灰岩，含1～4层煤，底部为晋祠砂岩，厚61～150 m，南厚北薄，下部煤层发育。二叠系下统山西组为灰、灰白色长石石英砂岩、石英砂岩，灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩夹煤层，中下部含煤2～7层，底部为北岔沟砂岩，厚50～90 m，北厚南薄。下统下石盒子组为黄绿、黄紫色页岩、砂质页岩夹黄绿色中细长石、石英砂岩及煤线，底部为骆驼脖子砂岩，厚93～194 m。二叠系上统上石盒子组、石千峰组，厚326～644 m及66～186 m，为黄、黄绿、紫红杂色长石、石英砂岩及少量泥灰岩、泥质灰岩、燧石层。三叠系下统刘家沟组、和尚沟组为灰白、灰绿色石英、长石砂岩，灰紫、紫红色砂岩、粉砂岩、砂质页岩及砾岩，厚505～912 m。中统二马营组、纸坊组为白、黄绿色砂岩、杂色砂岩、紫色砂质泥岩、泥岩，厚799～1134 m。上统延长组为灰黄、黄绿色砂岩夹杂色泥岩，厚38～123 m。侏罗系仅见中统，下部云岗组为杂色砂岩与紫色砂质泥岩、泥岩互层，厚0～750 m，与下伏延长组假整合。上部天池河组为紫色砂岩夹砂质泥岩，厚0～500 m，与上覆上第三系不整合。
沁水盆地含煤岩系沉积环境包括浅海沉积体系、三角洲沉积体系、滨海潮坪沉积体系。太原期沉积环境为浅海沉积体系，包括海湾潟湖、滨海潮坪泥岩、砂岩、泥灰岩沉积，半封闭海湾碳酸盐岩沉积，三角洲水下砂、泥岩和远砂坝沉积，全区发育有泥炭沼泽沉积。山西期沉积环境为有利聚煤的河流、三角洲沉积体系，包括三角洲平原沉积，分流河道、堤岸、决口扇及泛滥盆地沉积，下三角洲平原沉积，水上、水下型分流河道、分流间湾及潟湖海湾沉积，全区发育有泥炭沼泽沉积。
本溪期末开始浅海碳酸盐岩沉积后，海水向北退出，太原早期海侵自下而上形成潮坪砂坝（晋祠砂岩）—潟湖—局限海碳酸盐岩（吴家峪灰岩）—淡化潟湖—沼泽、泥炭沼泽沉积组合。吴家峪灰岩沉积之后，华北陆块由南升北降转为北升南降，出现相对平静时期和准平原化，全区沉积了15煤可采煤层，局部受潮汐和洪水期河流决口扇短期影响煤层分叉，聚煤中心位于阳泉一带。太原期后期，15煤沉积后海水自南、东南和西北方向侵入，结束了聚煤沉积，形成浅海碳酸盐岩—潮坪泥岩—沼泽、泥炭沼泽沉积，间夹潮坪砂坝、三角洲分流河道、间湾沉积。此期海侵规模大，北岸线可达大同一带。海水退出后出现滨海泥坪，海水淡化后开始了沼泽、泥炭沼泽沉积。在泥炭沼泽沉积后又发生了一次规模最大的海侵，沉积了厚度较大的斜道灰岩，形成浅海碳酸盐岩—浅海泥岩—滨海泥坪—沼泽、泥炭沼泽沉积，其中间夹有潮坪薄层砂体、三角洲前缘砂体或砂坝沉积。在泥炭沼泽之后又开始正常浅海沉积，形成灰岩、泥灰岩、泥岩—潟湖海湾泥岩沉积组合。太原期末无聚煤沉积，东大窑灰岩亦较薄，海相泥岩沉积后即是滨海砂岩（北岔沟砂岩）沉积，沉积组合比较稳定。
山西早期承袭了太原期末滨海潮坪和潟湖沉积环境，逐渐递变为三角洲、湖泊、河流沉积体系。在横向上自北而南由上三角洲平原过渡到下三角洲平原，晋东南一带为潟湖海湾沉积。山西早期为滨海潮坪砂体沉积，间夹两层泥岩，向上为滨海湖泊沉积，后期海水淡化，形成沼泽、泥炭沼泽沉积。山西中期泥炭沼泽沉积后，形成潟湖海湾泥岩或灰岩，海水淡化后演变为沼泽和泥炭沼泽沉积，形成发育稳定的3煤层。山西晚期底部为潟湖、滨海湖泊沉积—三角洲分流河道、分流间湾、洪泛盆地沉积。建设型三角洲使砂体南进，形成范围局限的泥炭沼泽沉积，煤层结构复杂，厚度变化大，末期形成湖相泥岩沉积。山西组沉积岩相上部较下部变化大，总体较太原组沉积岩相变化大。
沁水盆地太原组15煤和山西组3煤是盆地内发育稳定的主采煤层，煤层厚度大，发育在高位体系域充填后期，是在海侵体系域垂向间隔较长时间形成的，最后被海侵体系域所覆盖，当海侵体系域出现频繁时煤层变薄。在横向上，富煤带多出现在海侵体系域上倾方向的三角洲体系或河流体系中。太原期主煤层发育在滨海三角洲平原区，南部为浅海碳酸盐岩沉积，煤层厚度北厚南薄，由北向南变薄，北部发育好，南部较差。盆地北部为高位体系域充填区，有利于煤层堆积，盆地南部为海侵体系域，不利于聚煤。山西期聚煤作用北部差而南部较好，当时三角洲已推移至晋南一带，三角洲南侧为海侵体系域沉积，煤层发育最好部位是三角洲北侧，而在盆地北部处于快速堆积河流沉积体系，泥炭沼泽沉积时间短暂不利于成煤，盆地东北部阳泉含煤较差。
沁水盆地含煤地层为太原组和山西组，含煤6～11层，单层厚度大于0.5 m，分布稳定的煤层为太原组8、9、15煤层，累厚3～10 m，盆地北部、东部最厚，累厚大于7 m，中部、南部厚5 m左右。山西组为2、3煤层，厚2～6 m，盆地东南部、北部厚度较大，厚4～6 m。其中太原组15煤和山西组3煤为分布稳定单层厚度最大的可采煤层。太原组15煤分布在阳泉、潞安、晋城、阳城一带，西山称为8煤，霍西、汾西称为10煤。山西组3煤分布在盆地东部，西部称为2煤。
沁水盆地含煤地层埋深沿向斜边缘向盆地中部增大，石炭系底面埋深0～5000 m，其中西北部晋中断陷煤层埋深最大达2000～5000 m，向斜轴部沁县一带煤层埋深2000～3000 m，埋深小于1000 m的地区分布于盆地边部，面积达14750 km2，占总含煤面积的52%。煤层埋深1000～2000 m含煤环带面积9950 km2，占总含煤面积35%，盆地中南部、东北部分布面积较大。
参见《中国煤层气盆地图集》“沁水盆地地质图”、“沁水盆地煤层气勘探程度图”、“沁水盆地晚石炭世本溪期岩相古地理图”、“沁水盆地晚石炭世太原期岩相古地理图”、“沁水盆地早二叠世山西期岩相古地理图”、“沁水盆地早二叠世下石盒子期岩相古地理图”、“沁水盆地晚二叠世上石盒子期岩相古地理图”、“沁水盆地石炭、二叠系煤层厚度图”、“沁水盆地太原组煤层厚度及煤岩变质程度图”、“沁水盆地山西组煤层厚度及煤岩变质程度图”、“沁水盆地煤系水文地质图”。