前古生界主要出露在兰州市东南部、南部、西南部边界一带，组成祁连山东延余脉的马衔山、兴隆山、甘青交界的界山、奖俊埠岭以及七道梁的潜山等，其岩性为一套变质岩系。前长城系地层主要分布在榆中县与临洮县交界的马衔山区，在红古区享堂峡也有零星出露，在七道梁以潜山存在，其岩性为一套遭受混合岩化作用而形成的各种混合岩、混合质花岗岩、片麻岩和片岩夹扁豆状白云岩及大理岩。它又可以分为杲兰群和兴隆山群。蓟县系地层零星分布于大通河下游和榆中县小康营以南、高崖西南，另外在马衔山西北麓的高家湾、孙家湾、羊寨一带也有分布。震旦系仅在永登县西北铁成沟、杏儿沟一带有少量出露。 [49]
古生界地层仅分布在永登县和皋兰县北部边界一带，呈北西—南东方向的条带状展布，组成了祁连山东延余脉的宝泉山、和尚沟岘、大土梁等北部界山。寒武系仅分布在永登县葛家堡、甘露池、沙梁墩以东，皋兰县大横路至大土梁以北的边境一带。奥陶系主要分布在永登县境内。志留系分布在永登县富强堡、骟马坪、四泉、宋家窑及皋兰县石青洞至白坡子的北部边界一带。泥盆系零星分布在永登县北部边界的宋家堡、白涝池—韭菜沟、泉儿沟掌、大荒草沟等地。石炭系出露在永登县北部边界。二叠系出露在永登县北部边界一带。 [49]
中生界在红古区和永登县境内更为广泛。三叠系出露在永登县北部边界。侏罗系主要分布于红古区、七里河区和榆中县。白垩系主要分布在永登县奖俊埠岭周围、庄浪河与咸水河两岸，西固区区河口，七里河区七道梁，城关区青白石一带。 [49]
新生界地层是兰州市出露最广地层，其中上新统临夏组分布较广。下第三系的固原群，零星分布于榆中县南部边界的刘家嘴—骡子滩一带。西宁群主要分布在大通河与庄浪河之间。兰州市第四系极为发育，遍布全市。
兰州市位于华北板块与华南板块碰撞而形成的祁连山—秦岭地缝合线上，晚近时期由于印度板块向欧亚板块的碰撞，受到来自南西—北东方向的压力而处于活动状态。其地质构造类型主要有褶皱构造、断裂构造。 [49]
兰州市的褶皱构造可分为前加里东期和加里东期。比较清楚的前加里东期褶皱有：马衔山倒转复背斜、兴隆山复式向斜、园
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