阴山的地质构造独特，主要由古老的太古代变质岩系构成，这些岩石历经漫长岁月，呈现出丰富的地质历史。在其两侧以及山间盆地中，新生代的地层分布广泛，这为研究其地壳变迁提供了重要线索。南坡与河套平原之间的相对高度大约有一千米，但经过长期的流水侵蚀，现在的山脉边缘已经远离地质构造上的断层线，向北迁移了大约10至30公里的距离。
山脉北坡地形较为平缓，丘陵与盆地交错分布，这里的相对高度在50至350米之间，形成了一幅层次丰富的地貌画卷。特别引人注目的是，丘间盆地沿着构造线呈东西向延伸，盆地内沉积了白垩系和第三系的地层，这些地层的堆积记录了地壳运动的痕迹。在这些盆地之上，覆盖着厚实的第四系砂质粘土，这些土壤是由阴山的河流带来的，它们塑造了丘陵的形态。
阴山的河流众多，但支流较少，河床宽阔且平坦，这与现代水流级别的差距反映出阴山地区过去的水文环境。这些河流在丘陵间横切而过，形成了独特的河流景观。整体来看，阴山的地质特征不仅展示了地壳运动的力量，也揭示了其自然环境的演变历程。
阴山山脉横亘于内蒙古自治区中部，东段进入河北省西北部，连绵1200多公里，南北宽50~100公里，是黄河流域的北部界线，季风与非季风分界线，也是中国古代游牧文化与农耕文化的分界线，是中国十大山脉之一，蜚声海内外的秦始皇修筑的长城就在阴山之巅，著名的阴山岩画，穿过阴山仿佛可以看到昭君出塞那当年的景象。