五原县在大地构造单元上，属阴山天山纬向构造带，并受新华夏系构造的影响，形成内陆断陷盆地，整个辖区属河套平原，为第四纪松散的地层所覆盖，沉积了较厚的湖相地层。上部是冲积、风积层，主要岩性为细砂、粉砂和砂粘土互层。砂层层理清晰，厚度10-70米。中部为河湖交替层，主要岩性为淤泥质、粉砂与粘土互层。下部为巨厚的新老第四纪湖相沉积层，主要岩性为淤泥质砂粘土。土质膏腴肥美，适于农作物及各种植被的生长。虽然有的土地呈盐碱化，但并不影响耐碱作物，如葵花、枸杞等作物的生长。黄河由五、临交界处老楞河头入境，为东经107°37′，至五原前旗交界处的四科河头出境，为东经108°11′。此段河道是黄河干流在地球表面纬度最高的河段。五原境内的黄河流经天吉泰镇、套海镇。其北与之并行的是总干渠(二黄河)，它由磴口、临河向东进入五原，又进入前旗而汇入三湖河，在五原境内长43.5公里。县内各干渠均由此渠引水灌溉。与黄河有关的是乌加河(旧时亦称五角河、五加河)，它原是黄河的主流，是北河。 1840年黄河改道后主流成为南河，在改道的过程中使整个河套平原成为土质肥沃的冲积平原。乌加河是黄河的支流，由临河市的份子地进入五原，由建丰农场出界，泄入乌拉特前旗的三湖河，在五原地段为 46公里长。新中国成立后，经多次修浚成为灌区的总排水干沟。
