Geologisch wird das Ruhrgebiet regelmäßig über das Vorkommen von kohleführenden Schichten des Oberkarbon definiert, mehr oder weniger unabhängig von deren Tiefenlage. Die Kohlenflöze streifen entlang der Ruhr die Oberfläche und senken sich nach Norden ab. In Höhe der Lippe liegen sie in einer Tiefe von 600 bis 800 Meter. Die Mächtigkeit der Schichten liegt durchschnittlich bei 1–3 Meter. Die Geologie des Untergrundes war entscheidend für die Entwicklung des Kohlebergbaus im Ruhrgebiet. Sie hängt mit der Entstehung des Superkontinentes Pangaea zusammen. Zu Beginn der variszischen Gebirgsbildung vor 400 bis 300 Millionen Jahren in den Zeitabschnitten Devon und Karbon (der Name bedeutet Kohlezeit) begann im Zuge der Gebirgsbildung an tektonischen Störungslinien der Aufstieg von Erzlösungen und es entstanden einige Erzlagerstätten.
Gleichzeitig mit dem Aufstieg des Rheinischen Schiefergebirges im Oberkarbon setzte eine Absenkung des nördlichen Vorlandes ein, in das periodisch Sedimente geschüttet wurde. Das Ablagerungsmilieu wechselte über Jahrmillionen hinweg zwischen einem Flachmeer, der Entstehung von Flussdeltas und der Verlandung durch erodierte Sedimente aus dem neuen Gebirge. Im damals feucht-warmen Klima konnten sich große Moore bilden, die häufig von mächtigen sandigen Sedimenten überschichtet wurden, was die Inkohlung des pflanzlichen Materials bewirkte. So entstanden im Untergrund hunderte von kohleführenden Schichten. Von ihnen waren und sind allerdings nur jene 70–80 Flöze abbauwürdig, die eine ausreichende Mächtigkeit erreichen. Die großräumige Absenkung bewirkte, dass heute bei Witten (Südrand des Ruhrgebietes) die Kohle bis zur Erdoberfläche heraufreicht, aber am Nordrand (zum Beispiel bei Marl) etwa 1500 Meter tief liegt..