约6~3亿年，五台山同华北地方一起接受了广泛的海侵，相继沉积了寒武系及奥陶及石炭系地层。

　　寒武系主要分布在五台山南段，厚度400余米，为一套浅海相碎屑岩和碳酸岩建造。岩性为砾岩、泥灰岩、页岩、白云岩。

　　奥陶系主要分布在五台山南部，从灵境、天和，沿清水河西部神西一带，为一套浅海相碳酸岩建造，总厚度约700米。

　　石炭系及二叠系在五台县南部，为一套海陆交替相、以陆相为主的含煤建造，总厚度约300米，岩性为砾状砂岩、砂岩砂质页岩、铝土页岩、铝土岩。