淮南地区在漫长的地质历史发展过程中，由于其优越的古地理沉积环境和丰富的物质来源，通过长期的地质作用，形成了大量的煤炭资源和其他非金属矿产资源，现已探明煤炭储量180.33亿吨，占全省储量的70.56%，占华东储量的32%，为华东地区重要的能源基地。
一、地层
淮南地区地层为华北地层区，淮河地层分区，淮南地层小区。地层发育主要为上太古界、上元古界、下古生界、中生界、新生界。
〔上太古界〕上太古界地层为霍邱群，几乎被中、新生界地层覆盖，由一套区域动力变质作用形成的岩石组成，岩性自下而上分别为混合岩(下部)、含铁的片麻岩、片岩(中部)、白云石大理岩(上部)，地层总厚1521米。在唐山翟家洼至东梁山一线以南、望峰岗东山余家有出露。
〔上元古界〕区内发育青白口系及震旦系地层。
青白口系又称八公山群，由一套浅变质或基本未变质的碎屑岩系组成，自下而上为伍山组石英砂岩、刘老碑组泥质白云质灰岩、页岩、石英砂岩、粉砂岩等，地层厚度735～917米。在泉山水库以西至望峰岗，余家山及上窑西陡山有出露。
震旦系以碳酸盐岩沉积为主，下统发育徐淮群地层，自下而上可分为四十里长山组、九里桥组、四顶山组、倪园组、九顶山组。中下部岩性为石英砂岩、长石砂岩及白云质灰岩，上部以白云岩为主。地层总厚度605米，区内分布广泛发育。
〔下古生界〕区内发育寒武系及奥陶系地层。寒武系地层分布广泛，主要为一套局限台地—开阔台地相碳酸盐岩沉积，分上、中、下三统。下寒武统由凤台组、猴家山组、馒头组组成，岩性为砾岩、砂岩、页岩、含磷砾岩、豹皮状灰岩，总厚度275～346米。其中馒头组中的石灰岩、紫色页岩是淮南地区非金属矿产水泥灰岩、紫砂开采的主要层位之一。中寒武统由毛庄组、徐庄组、张夏组组成，岩性为灰岩、砂页岩、鲕状白云质灰岩，其中徐庄组、张夏组也是水泥灰岩主要层位之一。地层总厚度85～632米。上寒武统由崮山组、土坝组组成，岩性为白云质灰岩、白云岩，地层厚度97～260米。奥陶系在区内仅发育下奥陶统和中奥陶统，广泛分布。岩性:下部页岩与灰岩、泥质白云质灰岩互层，上部为白云质灰岩、灰质白云岩,总厚度207～446米。
〔上古生界〕由石炭系和二叠系组成，是淮南煤田的赋煤地层。
石炭系在区内仅发育上统太原组，零星出露于山金家、赖山集、老龙眼水库、上窑缸厂以南等地，由一套海陆交替相含煤碎屑岩碳酸盐岩组成，岩性为深灰色灰岩与砂岩、页岩、泥岩互层、铝质页岩及薄煤层，区内岩性和厚度较稳定，灰岩一般8～12层，多达15层，含煤一般8～11层，最多可达12层，仅1～2层局部可采。地层总厚120～160米。
二叠系地层在本区发育，是主要含煤地层，为海漫沼泽相含煤碎屑沉积，自下而上可分为下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组和石千峰组。除石千峰组外,均为含煤系地层。岩性为泥岩、页岩、铝土岩、煤层、砂岩夹粉砂岩。其中山西组含A组煤，可采煤层2层；下石盒子组含B组煤，可采煤层11层；上石盒子组含C组煤，可采煤层2层；Ｄ组煤可采煤层3层；E组煤可采煤层1层。煤系地层厚619～868米。石千峰组，岩性为紫红、灰色中粗粒长石、石英砂岩或砂岩、紫色泥岩，局部夹薄层石膏，不含煤，地层厚114～400米。整个二叠系地层总厚733～1268米。
〔中生界〕中生界地层区内发育不好，仅有部分三叠系、侏罗系、白垩系。
三叠系地层为陆源碎屑岩系沉积,由砾岩、砂岩、粉砂岩组成，区内发育不完全，仅见于罗山、泉山水库一带，厚度大于446米。
侏罗系、白垩系地层为陆相沉积，由砾岩和红色碎屑岩组成，区内零星分布，厚度大于120米。
〔新生界〕由第三系和第四系组成。
第三系以河湖沉积为主的红色碎屑岩系，区内零星分布。
第四系以冲积成因为主，有湖相、沼泽和残坡积沉积，岩性为细砂、粉砂、粘土等，区内分布广泛，厚度大于93米。
二、地质构造
淮南地区在构造单元上属中朝准地台、淮河台坳、淮南陷褶断带(即华北地台豫淮褶皱带)东部的淮南复向斜，东界为郯庐断裂，西临周口坳陷，北接蚌埠隆起，南邻合肥坳陷，南北为洞山断裂和刘府断裂夹持。区内构造特征以NWW向构造占主导地位，受后期构造强烈改造,但总体形态变化不大，复式向斜内次一级褶皱及断裂发育。
〔褶皱构造〕淮南复向斜呈NWW向分布,平面上略呈反“S”形，两翼较陡乃至倒转，核部开阔，地层平缓，它由一系列次一级宽缓背向斜组成，由于这一特点使淮南地区煤系地层反复出现于第四系覆盖层之下，煤炭资源在南北两翼及背斜隆起部位较易于开发。
淮南复向斜次一级褶皱由北向南有朱集背斜、尚塘耿村向斜、陈桥潘集背斜、谢桥高皇向斜、陆塘背斜、黑泥洼向斜，倾向平缓，一般为10°～30°。复式向斜南翼地层倾角大于北翼。
〔断裂构造〕区内断裂构造比较发育。沿向斜两翼发育一系列走向近东西，倾向相背的对冲逆断层和逆掩断层，形成叠瓦式推覆构造。在复向斜南翼的新集一带，洞山逆掩断层形成的推覆体之下找到了煤层。本区断层按展布方向分近东西向和近南北向两组，东西向断层自北向南有刘府断层、二道河断层、山王集断层、洞山(即阜阳舜耕山)断层。近南北向断层有：西部口孜集断层，东部固镇—长丰断层。
三、岩浆岩
淮南地区岩浆岩不甚发育，仅在上窑山区白石嘴一带及明龙山有零星出露，呈脉状展布；另据勘探资料在潘集背斜和常家坟等地也有岩浆岩和火山岩存在，岩性为肉红色二长斑岩、细晶岩、煌斑岩，在钻孔中还见凝灰岩、集块岩。侵入岩体大多呈小型岩脉和岩床，岩床顺层侵入，使煤层局部被吞蚀，接近岩浆岩体的煤层，变质为天然焦、无烟煤。
四、地质发展史
淮南地区地质演化历史可分为前震旦纪、震旦纪-三叠纪、侏罗纪-第四纪3个阶段,先后经历了蚌埠、凤阳、皖南、加里东及华力西、印支、燕山、喜马拉雅8个构造旋回。
前震旦纪，淮南地壳处于活动阶段。
晚太古代为优地槽发育时期，晚太古代末的蚌埠运动(距今25亿年)使优地槽普遍发生褶皱隆起，原先的洋壳均转化为陆壳，构成地台结晶基底，原岩遭受中深程度变质和混合岩化，原始复背斜初步形成。
早元古代末的凤阳运动(距今19亿年)以后，皖北地区结束了冒地槽发展历史，基底固结，隆起成陆，形成中朝地台一部分，地壳趋向相对稳定。
中元古代(距今19～10亿年)，本区处于隆起剥蚀状态，缺失沉积。
晚元古代早期青白口纪(距今10～8亿年)，淮南地区逐渐准平原化，导致海水入侵，形成黄淮海，沉积了中能环境的伍山组海滩相，刘老碑组泥质、碳酸盐质陆棚相地层为主的第一个盖层沉积。
晚元古代震旦纪早期(距今8～7.5亿年)，覆盖在准地台沉降区的陆表海即黄淮海稳定地继承着青白口纪的海域，区内接受海滩相砂泥质沉积和局相台地相内源化学－生物化学富镁的碳酸盐岩沉积。由于淮南地区一带在相当长的时间内是一个海湾，水体循环条件不佳，海水咸化程度较高，故沉积了较多的白云岩。
震旦纪早期末(距今7.5～6亿年)的霍邱运动，使本区一度隆起，海水退出，本区上升成陆。经短暂剥蚀后，早寒武纪基本上继承了震旦纪晚期的古地理轮廓，早寒武纪早期(距今6亿年)开始，在淮南、霍邱一带保留了一个向西开口的半闭塞海盆，陡峭的海崖受到冲击崩塌堆积成凤台组砾岩。
早寒武纪中期淮南地区总体下沉，来自东北方的黄淮海广泛入侵，范围扩大，在淮南一带形成局限台地，在台地边缘陡岸旁侧的凹槽内，沉积了猴家山组底部含磷砾岩、砾屑磷块岩等矿石的华北型磷矿。
早寒武纪末期，海水稍有加深，淮南地区成为碳酸盐开阔台地相，沉积了猴家山组上部、馒头组、张夏组、徐庄组等一套碳酸盐岩和紫砂页岩沉积。晚寒武纪(距今5亿年)蚌埠隆起上升成陆，造成淮南淮北在沉积环境上的差异，淮南一带成为碳酸盐岩开阔台地和白云岩蒸发台地,沉积了以白云岩为主的碳酸岩地层。
奥陶纪开始，黄淮海受加里东运动影响，绝大部分地区上升成陆，缺失早奥陶纪早期沉积。至早奥陶纪中晚期，黄淮海水漫侵，在淮南地区沉积了碳酸盐岩地层。直至中奥陶纪晚期，经加里东运动，黄淮海撤出，本区上升成陆地。在4.8亿至3.2亿年，长期遭受剥蚀，淮南地区缺失志留纪、泥盆纪及石炭纪中下统地层沉积。
上古生代晚期，特别是晚石炭纪(距今3亿年)，华力西运动，使淮南地区大面积沉降，引起了又一次特大海侵，黄淮海前缘绕过蚌埠隆起，范围扩大到淮南，但沉积环境仍以海陆交互相的海侵沼泽相沉积为特征。淮南、宿州成为两个滨海沼泽的沉积中心，沉积了灰岩、砂岩、页岩和煤为主的厚120～160米海侵沼泽相含煤系地层。
二叠纪开始(距今2.85亿年)，淮南地区基本上继承了晚石炭纪晚期的沉积范围，以海漫沼泽相(湖沼盆地)沉积为主，其间因被蚌埠隆起分隔，故淮南淮北沉积有所差异。淮南地区是时地势较为平坦，气候温暖、潮湿，适宜大量植物生长，时而有海水侵入，带来大量泥沙将其覆盖,沉积环境比较闭塞，易形成泥炭堆集，成煤条件极为有利，沉积了厚约617～858米山西组、下石盒子组、上石盒子组以砂岩、粉砂岩、砂质粘土岩、泥岩、碳质页岩、煤层为主的二叠系含煤系地层。晚二叠纪晚期(距今2.3亿年)以河湖相砂泥质沉积为主，并含杂色(红色)地层，表明气候干燥、炎热，不利于煤层沉积。
早三叠纪早期基本继承了晚二叠纪的沉积范围和地理格局，形成以湖泊相为主的红色碎屑岩系。早三叠纪早中期(距今1.95亿年)和晚三叠纪末，受印支运动影响，本区被抬高，同时产生褶皱运动，揭开了本区大陆边缘活动带发展史的序幕。
中新生代侏罗纪-第四纪阶段，本区进入以地壳块断运动为特征的大陆边缘活动带发展阶段，在边缘的山间或山前沉陷地带形成了大小不等的内陆坳陷，沉积以“红色”陆相碎屑岩为主。其间经历了燕山和喜马拉雅两次运动，本区出现深度断裂和火山活动。
老第三系末(距今2500万年)发生早期喜马拉雅运动使全区全面抬升处于剥蚀状态，地壳呈准平原化，此时两淮平原已经形成。
第四纪初(距今350万年)发生的晚期喜马拉雅运动，本区地块以上升为主，淮河各大支流基本形成，经历中、新生代的演化，逐渐塑造出近代的地质构造和地貌特征。至全新纪(距今120万年)，自然状态已和现在一样。