山西地壳上最古老的地层是中太古代，距今28亿～30亿年的以界河口群为代表的中深变质岩，它是山西的第一层陆壳，在它之前可能还有一套沉积在洋壳上的火山岩系。
这套陆壳岩石是以细碎屑岩和石灰岩沉积为主，属浅海沉积。它沉积后被一期强烈的地壳运动所改造，使它发生褶皱、变质和部分熔融，铺盖在山西中部以北广大地区，构造线方向属东西走向。
随后这一表壳岩被拉张、拆离，而露出底下原始洋壳，接受新太古代五台系的沉积。
五台系自下而上可分为三套地层，底部为基性火山岩夹磁铁石英岩，中部为深水泥砂质浊流沉积岩，上部是一套双峰式火山喷出岩。中下两套岩层之间，曾发生过一次板块俯冲运动，早期沉积地层被深深地插入洋壳边缘的第一层陆壳之下，形成深水海槽，并形成大陆边缘的浊积岩，随后引发地幔物质的二次喷发。
当时的裂陷槽一是发生在以五台山为中心的北东－南西方向上，一是发生在吕梁山主峰区，一是发生在中条山区。它们先为浅水沉积，中间转入深水沉积，后因板块俯冲，引发地幔物质重熔，继而爆发了火山活动。
板块的连续活动，最后导致新形成的地质体再度受挤碰，才结束了五台运动。
元古宙开始，山西东西两侧因剪切而导致南北向裂陷槽出现，从槽中涌出大量岩浆，它们和裂隔槽中碎屑沉积合在一起，形成太行式下元古代地层沉积。而五台山、中条山南北两端则再次沉降成陆表海，以浅海碎屑岩-碳酸盐岩建造为特征，从而展开了滹沱系的沉积历史。
此时，地球的大气圈、水圈、生物圈都发生可目击的质变，出现了红层和石盐，也产生了由蓝绿藻组成的叠层石。从此地球历史发生了质的转变。
滹沱后期的吕梁运动在20亿年前开始活动，它封闭了平行四边形排列的四个沉积海盆，区域动力热变质伴随而生，于是滹沱系主体褶皱、变质，隆起成山，在山间盆地形成磨拉石建造，最后一幕吕梁运动，更使滹沱系再次卷入褶皱变质。
两幕吕梁运动的结果，终于结束了华北地壳的分裂局面而拼成一个巨大的地块。它还使地壳由柔性、热流值高的状态进入刚性、低热流值的板块，从而结束了华北地壳早期阶段历史。
18亿年前的吕梁运动虽然统一了华北，固结成刚性板块，但余波还在地幔深处发挥作用。到18亿年中期，秦晋豫三省交会（接壤）处有大量地幔的熔浆上涌，把以平陆为中心的地壳顶起一个鼓包，随后以°角度形成三叉裂谷。从谷中喷发超过立方千米的岩浆，进而导致地幔空间亏损而引发地壳下陷，引发了王屋山运动。
中元古代的海侵是由东南向西北推进的。距今17亿年前后，沿着垣曲-长治-蓟县沉积了长千米，厚度逾千米的大沙滩，在沙滩上有蠕形动物爬行痕迹，随后在海水加深、扩大的基础上依次沉积了泥岩、白云岩，并进入以浅海相潮汐带到潮下带深度的以白云岩为主体的海洋环境。
在中元古代沉积早期，地壳发生局部抬升，引发了太行山井陉南的金柱岭运动，使地壳抬升，大红峪组沉积缺失，五台县殊宫寺不整合，杨庄组沉积剥蚀缺失。到最后雾迷山组沉积后，山西整体上升成陆，此时距今10亿年。
新元古代运动变化在山西基本缺失，只在灵丘、广灵的广阔古风化面上有少量石英砂岩、铁质角砾岩沉积。在晋南永济芮城一带可能有近十米厚的冰碛的石英砂岩沉积，从此结束了整个元古宙的沉积历史。
当历史进入到显生宙，寒武纪一开始就遇上生物发展爆发期，但山西这时还没有沉积，只是在稍后的时间里，一些节肢动物、腕足动物、腔肠动物、腹足动物乃至原始的脊索动物等才相继出现。
寒武纪的海侵与长城系有很大相似性。根据三叶虫带化石确定，海水先从晋南、晋东南向晋西离石-临县一带推进，直到寒武纪晚期海水才浸过当时的孤岛——马头山。
从5.4亿年前到4.4亿年前的寒武纪、奥陶纪，山西均是温暖的气候，可能在奥陶纪有过三次炎热的气候，留下了三套含石膏的层位。
席卷全球的加里东运动，使山西以及整个华北地区在奥陶纪末期整体抬升成陆，没有接受沉积。到了石炭纪晚期，距今3.1亿年才开始逐渐沉入海中，古陆上的风化残留化学物质，凝集成铁质和铝土质沉积。此时山西相当于处在一个巨大的三角洲，不时有海水侵入。那时山西地处热带雨林环境，其古纬度在10°~13°。植物以蕨类为主，但可形成高大乔木。那时地壳不断下沉，所以树木迅速沉入沼泽，泥炭化后形成煤层。石炭纪的海侵方向根据不同时期灰岩分布范围判断是由北向南推进的。
到了距今2.9亿年的二叠纪，山西地壳继续抬升，海水向东渐渐远去，山西也逐渐变成陆地，上面沉积了滚动着河床的河流相，不时泛滥积水成湖的湖泊环境。后期气候变得日益干燥，植被迅速减少。最后进入干旱炎热的内陆环境而进入中生代。
山西从中生代开始，早期出现体型稍大的二齿兽类及假鳄类。植物也演化到种子植物占优势的时期。气候由三叠纪早期酷热环境到中期演变为温暖多雨环境。最终并出现局部成煤环境。
三叠纪后侏罗纪开始（2.05亿年前），燕山运动在山西兴起。山西整体升降时期结束，地壳变动，使山西分裂成沁水盆地、宁武静乐盆地和晋东北盆地。到了1.5亿年前，山西全境岩浆活动剧烈，太行山、吕梁山东西两侧、汾河东西两岸、五台山、中条山都有花岗岩、碱性岩侵入，晋东北也有频繁的火山活动。运动使中生代沉积地层发生褶皱、断裂，形成多阶段角度不整合的出现。
侏罗纪开始，动物界爬行动物盛行，恐龙占据了霸主的地位，而本来应是恐龙繁盛的侏罗纪，到目前为止，山西尚没找到像样的恐龙化石，只找到了一些线索或是零散的化石。到了白垩纪，近几年在左云、天镇一带都发现了大量的恐龙化石，有些甚至十分完整，有2~4米大小的甲龙，长达22米的不寻常华北龙，也有10米左右大小的鸭咀龙、剑龙等。这些都属于植食性的恐龙。值得庆幸的是，在近年的恐龙发掘过程中，也发现了肉食性恐龙的牙齿，目前正在研究中。
山西的侏罗纪白垩纪沉积地层只在晋北发育。大同－宁武一带侏罗纪出现厚层煤层，它是山西第二主要的产煤岩系（第一产煤岩系是石炭纪二叠纪）。
新生代是哺乳动物大发展的时代，也是被子植物或叫有花植物繁盛的时代，它们万紫千红，装扮着大自然。
万年前～万年前的古近纪，在垣曲黄河古阶地中发现最早的灵长类化石。那时山西运城地区是盛产石膏、石盐的内陆盆地；五台山-恒山地区是玄武岩喷发时期。
到了万年前时，喜山运动爆发，山西裂谷的雏形逐步形成，从而形成了大同、忻州、太原、临汾-运城四个盆地及晋东南的长治盆地。在干旱的高原地区形成了含有三趾马动物群的保德组红土，而在温暖潮湿的环境则生存着榆社动物群，古猿也开始出现，并生活于林莽中。
到了距今万年的第四纪，我国南方出现巫山人、元谋人，陕西出现蓝田人，北京出现北京人。他们会制造并使用石器，会用火防兽取暖烤食。山西省芮城县在万年前的地层中首先发现古人类的用火痕迹，还保留有大量被火烧过的兽骨。
山西真正人类化石发现于襄汾的丁村，保存于距今13万年的上更新统丁村组中，他们以使用大型石器为特点。此后在阳高的许家窑距今8万年的上更新统马兰组黄土中也发现了古人类化石。在朔州峙峪距今2.8万年的上更新统峙峪组中发现了峙峪人，他们用弓箭绳套大量猎杀野马，被人们称为猎马族。
山西阳城南缘发现典型细石器文化，尤以圆盘、石棒等组成的原始石磨最突出，反映那时人们已掌握粮食脱壳技术。
到了距今1万年的全新世，即进入了新石器时代，人们已会使用陶器盛物装水，知道炼土补漏，恰逢那时第四纪最后一个冰期过去，冰融雪化，天雨绵绵，出现第一次大洪水。于是山西南部出现女娲补天的神话。
相当于仰韶文化到裴李岗文化期，长治一带出现炎帝神农尝百草的传说，是人类进入农耕的萌芽时期。
随后有黄帝蚩尤大战于运城的传说。晋南进入尧舜禹传说时期，夏县发现刀剖蚕茧化石表明人类已进入种桑养蚕织丝时代。
大禹治水故事大约发生在4年前，那是有传说以来第二次洪水期。与西北地区有一次不大的冰期相配套。大禹采取开流放水的办法，消减了水患，最后被推上了部落群的首领位置。我国终于进入有正式历史记载的年代。
此后，夏、商、周三个朝代就在晋南、豫北、冀南、陕中一带轰轰烈烈展开。
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