黄龙县境的地层为鄂尔多斯地台,处陕北构造盆地的最南边沿。褶皱、断裂极不发育,为一向北倾斜、倾角1°—3°的平缓单斜。局部有较小的平缓褶皱,断裂以断距很小的正断层为主,多集中在县东南部。
地貌属沟壑纵横的黄土地貌类型,本县属这一类型的石质山地,呈北北东——南南西走向,海拔在1500米左右,黄龙山主峰大岭海拔1783米,形成鄂尔多斯地台上的一个隆起,为黄河左岸支流与北洛河右岸支流的分水岭,是石堡川、居水、圪台川等川的发源地。水系呈放射状。以大岭、关山、界头梁、烂柯山为代表的11条大山梁,把全县切割成7川5塬98条沟,山川相见,沟壑纵横。地势由主脊向东西两侧缓倾,大岭至烂柯山为东西主脊,两侧向南北缓倾;佛爷岭至界头庙,亦为东西走向。整个地貌是一个塬、梁(岭)、峁组成的沟间地和沟壑系统。沟谷交切,形成北部土质中低山区、西南部黄土残塬区和东南部石质中低山区。