華北闆塊自中奧陶世開始整體上升成陸，缺失上奧陶統（許多地區尚缺失中奧陶統）、志留系、泥盆系和下石炭統。
直到晚石炭世闆塊才重新下降，遭受海侵。
上古生界發育不全及上石炭統與奧陶系之間的平行不整合接觸。
石炭—二疊系以山西太原剖面為代表，以濱海相—海陸互動相—陸相沉積為特征。
早石炭世除大别山北麓出現較厚的近海和海陸互動相含煤碎屑堆積，以及遼東地區可能接受沉積外、闆塊主體部分仍是一個近乎準平原的低地。
上石炭統本溪組為古風化殼上含鋁（鋁土礦）和含鐵(山西式鐵礦)的碎屑岩，夾薄層灰岩層及煤層，代表海侵開始時的濱海環境。
本溪組在山西北部厚達50m左右，南部變薄，豫淮一帶甚至缺失。在遼東本溪一帶，地層發育全，其中海相夾層多，厚度可達300m左右。
由此可見，闆塊的地勢是北低南高。
上石炭統太原組為海陸互動相含煤沉積，厚約95m。
晚石炭世時古地理面貌又有較大的變化，遼甯的本溪至陝北的東勝一帶，上石炭統都屬陸相沉積。
在内蒙的大青山地區，形成了内陸斷陷盆地。
自太原往南，海相夾層逐漸增多，厚度逐漸增大，在淮南、豫西和鄂爾多斯等地可見太原組直接超覆于奧陶系灰岩之上，底部也可見有鋁土頁岩的存在，最大厚度可達350m左右，其中海相灰岩夾層較多；
晚石炭世時華北闆塊的地勢特點是北高南低。
下二疊統山西組為海退背景下的三角洲平原泥炭沼澤沉積，說明早二疊世華北闆塊普遍地勢低平，為一個重要的成煤期。
上二疊統石盒子組為河、湖相沉積，以雜色—紫紅色碎屑沉積為主，至石千峰組已屬紅色地層，為氣候幹旱下的内陸河、湖沉積。
晚二疊世闆塊内部的差異運動加強了，逐漸顯示出沉積盆地彼此分隔的輪廓。闆塊東部為互相隔絕的小型内陸盆地，而西部鄂爾多斯地區則為一大型的内陸盆地，盆地中心部分二疊系厚度可達2000m。
華北闆塊進入到中生代三疊紀時仍為以陸相沉積為主，這時闆塊内部的東西差異更加明顯。
西部鄂爾多斯地區仍為大型内陸盆地，三疊系發育完整，其地層建造特點為：下、中統紫紅色砂泥岩；上統灰綠、黃綠色砂泥岩夾油頁岩及煤層，地層總厚約2500m左右
由幹旱氣候下的河湖沉積演變為溫帶半潮濕—潮濕氣候下的大型湖盆沉積類型。東部為剝蝕高地，零星分布小型山間盆地。