晚石炭世，即复合层序Ⅰ沉积期（本溪组和太原组下段），盆地整体沉降，在经历了长期风化夷平的中奥陶世石灰岩顶面上，接受了来自北东方向的海侵，开始陆表海的演化历史；当时古地形北高南低，北面阴山古陆呈高耸的山地或高原，为当时主要物源区。研究区为地形坡度很小的潟湖，垂向演化规律较明显，其中滨外碳酸盐岩陆棚相和潟湖相构成了该期岩相古地理沉积格架，局部发育潮汐砂坝相。从旋回发育情况看，河北省中部开平、井径及燕山南麓一带一般发育5个旋回，向南至石家庄以南仅发育了4个旋回，至邢台一带一般仅有3个旋回，峰峰一带多数为2个不完整旋回，滨外碳酸盐岩陆棚相基本不发育，说明本期海侵方向主要来自东北方向。
早二叠世早期，即复合层序Ⅱ沉积期（太原组中、上段），在太原组底部的下架灰岩沉积之后，海侵方向改变为南东向，并且发生了大规模的海侵，在峰峰邢台一带石灰岩发育最好，多达4～5层，向北层数减少，渐变为海相泥岩，为沼泽—滨外碳酸盐岩陆棚—障壁砂坝—潟湖相的多次次一级的海水进退旋回演化序列，沉积环境垂向演化总的规律是陆表海清水沉积与浑水沉积交替出现，构成滨外碳酸盐岩陆棚—障壁砂坝—潟湖潮坪的岩相古地理格局。
早二叠世晚期，即复合层序Ⅲ（山西组）沉积期，随着华北板块不断向北仰冲，继续海退。当时的古地理景观总体为三角洲—潮坪沉积，古地理单元有上三角洲平原、下三角洲平原、边缘潮汐平原等。沉积相类型主要有边缘潮汐平原的潮汐砂坝（河口坝、远砂坝）和潮坪、下三角洲平原的分流河道和分流间湾、上三角洲平原的分流河道和分流间区（分流间泛滥盆地）等。有利于烃源岩发育的泥炭沼泽相主要发育于下三角洲平原。
中二叠世早期，即复合层序Ⅳ（下石盒子组）沉积期，海水大面积向南退缩，广大地区都已演化成河流—三角洲平原环境，当时发育的古地理单元有冲积平原、上三角洲平原、下三角洲平原及水下三角洲（即三角洲前缘和前三角洲），为早二叠世中期古地理的继续发展，但各单元之间的界线已经大幅度的向南移动，水下三角洲仅在研究区南部边缘发育。该期下三角洲平原分流间湾有时可局部沼泽化，形成局部分布的煤线和炭质泥岩。
中二叠世晚期，即复合层序Ⅴ（上石盒子组一段）沉积期，随着海岸线的向南迁移，区内岩相古地理进一步演化，除邯郸—临清—无棣一线以南为三角洲环境外，该线以北广大地区被河流体系沉积所占据。总体呈现出北高南低河流广布的冲积平原面貌。随着海退的发展，区内古地理格局分化程度也越来越小，垂向演化规律性明显，自下而上由河流边滩沉积，演变为泛滥盆地，代表河流体系的一个完整沉积旋回，构成了该期环境垂向演化的全部内容。由于研究区气候在这一时期已经变得炎热干燥，不适合泥炭沼泽发育，所以煤和炭质泥岩（烃源岩）在层序Ⅴ中缺乏。
晚二叠世，即复合层序Ⅵ（上石盒子组中上二至四段）和复合层序Ⅶ（石千峰组）沉积期，整个华北地区已经大规模抬升，海水已经全部退出华北地区。研究区峰峰、邢台一带主要为河流、湖泊并存的古地理景观。在研究区东南侧，海水偶尔可涌进沿海三角洲平原地区，将正常海相生物带进陆地、并在地形低洼处形成薄层含海绵骨针的硅质泥岩，其层位为上石盒子组三段顶部，成为本区地层对比的良好标志层。峰峰地区的石千峰组湖泊沉积中有薄层淡水石灰岩或泥灰岩沉积，表明该期湖泊范围较大，且气候较为干燥。