雲岡石窟地處大同煤田北部，大地構造位於華北地臺北部邊緣雲岡塊坳中。其巖性特徵為：集寧群右所堡組主要由一套經歷中深—深度變質作用，普遍遭受不同程度混合巖化的變質岩組成。寒武系－奧陶系：主要為一套碳酸鹽巖（灰巖及白雲岩）組成。石炭系－二疊系－侏羅系：主要為一套水陸互動相的砂岩、泥岩及煤層組成。其構造主要為雲岡向斜，主向斜軸呈北東40°左右，其向斜北西翼寬緩，地層傾角平緩。區域性斷裂構造主要有口泉斷裂帶和竹林寺斷裂。區內岩漿岩活動不發育。 雲岡石窟前為十里河一級階地、漫灘及河床，頂部及其以北屬低山丘陵，地形起伏不大，總體北高南低。在4-5窟間及10窟附近分佈兩條較大沖溝，石窟頂部及其以北地表大面積被含礫亞砂土鬆散層覆蓋，覆蓋層厚度約3—5m。雲岡石窟所在巨厚層長石石英砂岩透鏡體中見有二組節理較發育。在第二窟中見有一個小泉水出露，流量5公升/分種。石窟座落的砂岩透鏡體中地下水位埋深、水量和具體逕流條件不清楚。據1990年晉華宮礦地質資料：十里河床中含孔隙水，靜水位埋深0.65米，單位出水量2.59升/秒·米，富水性較好，2001年在該區進行水源勘探時，發現該層已不含水，變為含水透水層。砂岩中含裂隙水，水位埋深11.30——24.40米，單位出水量0.026—0.374升/秒·米，富水性較差。