大同处于华北地台的山西台背斜与阴山隆起的交接部位。北为北口隆地，西南为大同──静乐凹陷，东南为桑干河新断陷。
（华北地台）
该区域在多期的地壳构造变动中形成了一系列的构造形迹，尤其以燕山运动和喜马拉雅山运动的影响最为明显，新构造运动相当发育、地震活动也较为频繁。
东部为著名的世界地质奇观大同火山群，与云南腾冲构成南北两大火山群。
(大同火山群)
在地貌构成上，大同的山地面积为278平方公里，占总面积的13.4%；丘陵面积为1177平方公里，占总面积的56.6%；平川面积为626平方公里，仅占总面积的30%。其中，山地、丘陵主要集中于西、北及东北部地区，而平川区位于东南部。这就构成了大同市西北高、东南低，地形由西北向东南倾斜的主要特征。
大同地理环境处于南下阴山、东来燕山、北上吕梁山、太行山北方四大山脉的交叉通道，是大雁为首的中部鸟类南迁通道。西北部山脉属阴山山脉和吕梁山脉，主要有白登山、双山、二朗山、云门山、采凉山等；东南部山脉属太行山脉，主要有恒山、太白山、六棱山等。全市一般海拔在1000～1500米之间，最高处为阳高县境内六棱山黄羊尖（海拔2420米），最低处为灵丘县境内花塔村冉河出口处（海拔558米）。桑干河自西南向东北横贯全市，形成了周围高、中间低、两山夹一川的槽型盆地。除桑干河外，境内主要河流还有属海河水系的御河、南洋河、壶流河、唐河和属黄河水系的苍头河。
（六棱山）
