按地质构造单元分类，柳林县境内属河东凹陷的中段。地势东高西低，地层出露齐全，构造简单，岩浆岩活动稀少，矿产资源丰富。地层总特点是东部沟中地层时代老，向西逐渐变新。太古界分布于县境东部，约占全县面积的5％；古生界主要分布于县境的中部和东部，约占全县境的15％；中生界主要分布于县境的西南部，约占10％；新生界上新统和更新统分布面积最广，占到全县面积的70％以上。　

构造位置为鄂尔多斯地区的东缘，吕梁山块隆与鄂尔多斯块接壤南北向构造带西侧。区内构造简单，其构造基本形成态总体上表现为由北向南西渐倾的单斜构造，地层以几度的倾角缓缓向西插入黄河底下，其间伴随有平缓的褶曲。　

地形地貌

柳林县属西北黄土高原的丘陵沟壑区，其海拔高度随基岩倾斜方向由东向西递减。由于古生代的海拔变迁和中生代燕山运动，使吕梁山构造隆起，岩层西倾，黄河河道下切，形成了东北高西南底。覆盖在各种地貌上的第四纪黄土层，久经风雨流水的侵蚀剥蚀，被逐渐切割成梁峁起伏、沟壑纵横、山丘交错、支离破碎的复杂地貌单元。柳林县东北部的王老婆山，海拔1522米，西南部三交镇下塔村海拔607米。　

山地区

柳林县东北部和三道梁一带，海拔1250～1522米。特点是具有多个高度不等的峰岭。山体主要由石灰岩组成，在长期的风化剥蚀和流水侵蚀作用下，水文发达下切强烈、多呈“V”型。　

残塬区

柳林县属西北黄土高原，最初形成的黄土地形较平缓，单元面积大，外型也较完整。主要分布在龙门垣乡的东垣、西垣、中垣和石西乡的仿刘家垣、呼家垣以及高家沟乡的大成垣等地。龙花垣乡、成家庄镇辖镇和贾家垣乡辖境内也有零星塬地。全县残塬总面积共20809.6亩，海拔高度在900～1300米之间。　　

丘陵沟壑区

柳林县大部分乡镇均属此类地形。在漫长的地质发展过程中，由于内营力和外营力的相互作用，特别是流水的线蚀作用，境内除残存无数较大整块源地外，大部地区地段形成了墚峁和河谷相间的地貌单元。墚峁状丘陵多，孤立峁状丘陵少，沟谷与长墚相间分布大沟呈数枝状排列，小沟多如羽毛。柳林县有大小沟道15080条，其中长1公里以上的支沟道1040条。沟壑面积计99.9万亩，占县境总面积的50.2％。1公里以上的沟壑密度为1.79公里／平方公里。沟壑区海拔高度在610～1250米之间，相对高差200米以下。区内马兰黄土结构松散，垂直节理发育良好，但抗侵蚀能力较差因而在长期的流水线蚀作用下，形成了切割强烈、两壁陡直、深度在80～100米左右的侵蚀性沟谷，最深的可达150米以上，局部已切割至基岩。沟谷狭窄而弯曲，地表支离破碎。墚茆沟坡多为人工垦殖，由于降水量小于蒸发量，故干旱情况十分严重，近黄河地带优为突出。　

河谷区

柳林县河谷区由于流水堆积作用，三川河、黄河和大黄沟两侧逐渐形成高低不等的河谷阶地、河漫滩、阶地、河曲洼地和河堤洼地。河漫滩、阶地主要是由于流水切割而成，河曲洼地和河堤洼地则是在人工改道、修筑河堤的作用下形成。柳林县内的河谷阶地面积微小。三川河两岸的河漫滩和阶地，呈现带状分布，川谷平均宽度263米。河谷阶地地势平坦，土壤肥沃，水源丰富，气候适中。适合小麦、谷子、高粱、玉米、棉花等多种农作物生长，尤其种植蔬菜。