牛头沟金矿位于贺兰山褶冲带之复式向斜的最北端。赋矿地层为一套古元古界贺兰山岩群宗别立组第二亚群(Pt₂Z²)变质岩系。矿体受正宜关断裂的次一级北东向、北西向和南北向张性断裂构造控制,其中近南北向断裂为矿区的主要容矿、控矿构造。