山西省最大盆地，中國重要的能源基地。位於省境北部，呈北東─南西向展佈，長約200公裡，面積5100平方公裡。盆地海拔大都1000～1100米。盆地輪廓明顯地受構造控制，以斷層與采涼山、六棱山、恒山、洪濤山相接。東部被六棱山分隔，為桑乾河谷地和渾河谷地。盆地邊緣為沖溝分割的黃土臺地和緩坡黃土丘陵，多為結構疏鬆的沙質黃土，厚度不大。由盆地邊緣向中心依次為：沖溝分割的洪積臺地、洪積傾斜平原、湖積沖積平原、河谷沖積平原等地貌類型。局部低窪地帶有鹽鹼化現象。盆地基底底為前寒武紀變質巖系，唯朔縣以東是奧陶紀灰巖。基底地形起伏，在地表有明顯反映，如黃花梁隆起，將盆地分為南(山陰)北（大同）兩部分。盆地內松散層以上新統最早，可見盆地形成在老第三紀以後。第四系地層最大沉積厚度約700米，北部有間歇性火山噴發活動及玄武巖流形成的臺地和壟崗，當河流切過玄武巖蓋時，形成罕見的平原峽谷地貌。盆地表面已受流水切割，桑幹河及其支流恢河、渾河、黃水河、禦河等流於其間。盆地處於東南季風的尾閭，年降水量400毫米左右，年均溫7℃左右，屬溫帶半幹旱地區幹草原栗鈣土地帶，生長最盛的是長芒草。盆地內大同市為著名“煤海”，京包和同蒲鐵路的樞紐，建材工業也居全省首位。朔縣為新興工礦區。