黑龙洞山属阴山山脉南支，阴山山脉横亘在内蒙古自治区中部，河套平原以北。它西起狼山，向东为乌拉山、大青山、大马群山。长约1200公里，海拔1500-2000米。它的南支余脉向南延伸入山西北边各县市。以大断层急剧降落于大同盆地北缘，形成明显的阶梯。山体多由古老的变质岩及玄武岩组成，经剥蚀、侵蚀及风蚀作用，形成断块山地及玄武岩台地。上覆薄层黄土。