沁水盆地位于山西省东南部，自古元古代山西陆台形成，到古生代广泛海侵，本区沉积了前寒武系，寒武系，加里东运动本区隆起，就缺失上奥陶统，志留系，泥盆系，下石炭统地层。

沁水盆地为中生代末形成的构造盆地：元古宇、太古宇为盆地基底；古生界、中生界组成盆地的构造层，包括震旦系（属元古宇晚期地层），寒武系，奥陶系下、中统，上石炭统，二叠系，三叠系及局部残存的侏罗系；新生界不整合覆盖于盆地之上。盆地最深处奥陶系顶面深约2500米。主要层系以及矿产如下：

本溪组：由海陆交替相泥岩、砂质泥岩、粘土岩、石灰岩、褐铁矿层夹煤线组成，组厚10~50米。

太原组由海陆交替相砂岩、泥岩、石灰岩和煤层组成，组厚50~150米。一般含煤层7~10层，其中3~5层可采，可采煤层总厚度4~10米，北厚南薄。

山西省组：由陆相及滨海相砂岩、泥岩夹煤层及薄层石灰岩组成，组厚40~110米。含煤层3~6层，其中2~4层可采，可采煤层总厚度2~7米。

下石盒子组：由陆相砂岩、泥岩，底部夹煤线1~2层缓成，组厚90~214米。

沁水煤田煤炭资源量约300Gt,1989年底已探明煤炭储量86Gt，占全国9.58%，在尚未探明的预测煤炭资源中，绝大部分属可靠级，且埋深大部分小于1000米。煤种以无烟煤为主，东、西、北边缘部分的浅部，有少量焦煤、瘦煤和贫煤，煤田的深部全为无烟煤。煤大部分属中等灰分，低一高硫分。阳泉煤是优等高炉喷粉、可烧结用煤；长治市为主焦煤和瘦煤。在煤系底部和下部，含多层黄铁矿，部分区段达工业品位可以提炼硫磺、制造硫酸；煤系下部还含数层铝土岩、粘土岩。