南泥湖—三道庄钼矿的成矿模式是一个典型的华北克拉通南缘燕山期斑岩—矽卡岩型钼钨矿床成矿过程。侏罗纪至白垩纪（燕山期），在华北克拉通岩石圈拆沉、减薄的构造背景下，软流圈上涌引发地壳重熔，形成了富硅、富钾、富碱的花岗质岩浆。这些岩浆沿NWW向深大断裂与NE向断裂的交汇部位上侵，最终在栾川群南泥湖组和三川组地层中定位，形成了南泥湖斑状二长花岗岩—斑状黑云母花岗闪长岩复式岩体。岩体整体向北西侧伏，顶部接触带产状变缓，为成矿热液的聚集和沉淀提供了有利的构造空间。

成矿过程可划分为五个阶段：①岩浆结晶与自变质阶段（晚岩浆期），岩体在冷却结晶过程中发生面型钾长石化和黑云母化，钾长石交代斑晶产出，此阶段尚无硫化物伴生；②矽卡岩化阶段（岩浆期后气化—高温热液，约400℃—600℃），富含挥发分的岩浆热液与三川组碳酸盐岩围岩发生接触交代作用，形成石榴子石、透辉石、硅灰石等钙质矽卡岩矿物，同时伴随早期磁铁矿和白钨矿沉淀；③氧化物—早期硫化物阶段（高中温热液，约300℃—400℃），矽卡岩被进一步交代，出现阳起石、绿帘石等退化蚀变矿物，辉钼矿开始沿裂隙呈细脉状沉淀；④主成矿硫化物阶段（中温热液，约200℃—350℃），大量辉钼矿以浸染状、细脉状在矽卡岩和角岩中沉淀，形成工业矿体，同时伴生黄铁矿、黄铜矿等硫化物；⑤碳酸盐化阶段（中低温热液，约120℃—250℃），方解石、石英脉沿裂隙充填，标志着成矿作用趋于结束。

矿床的空间分带特征十分清晰：以斑岩体为中心，岩体内部以细脉浸染状斑岩型矿化为主，发育钾化、硅化蚀变；内接触带矽卡岩型矿化最为发育，矿石品位最高，矿体厚度最大；外接触带角岩型矿化以细脉状辉钼矿为主，品位逐渐降低；外围则出现铅锌银等中低温多金属矿化。地球化学异常也呈现相应的水平分带：从矿田中心向外，元素组合由高温的W—Mo—Sn—F，经中低温的Cu—Zn，过渡到低温的Pb—Ag—As，构成完整的成矿元素分带序列。蚀变分带则以钾化带和硅化带与钼矿化关系最为密切，黑云母化和硅化强烈叠加处铜钼明显富集。

控矿因素可概括为“三位一体”：岩浆岩因素方面，南泥湖复式岩体富钼（丰度为花岗岩平均值30—200倍）、富钾富碱，是成矿物质和热液的直接来源；构造因素方面，NWW向与NE向断裂交汇控制岩体侵位，箱状背斜轴部提供储矿空间，层间裂隙和节理是辉钼矿沉淀的主要场所；地层因素方面，栾川群碳酸盐岩（三川组）和泥砂质岩（南泥湖组）的互层结构，既易于发生矽卡岩化，又能通过角岩化形成渗透性良好的容矿岩石。矿液运移方向总体由南泥湖岩体深部向浅部、由岩体中心向外围，通过接触带、断裂带和层间裂隙扩散，这一规律也为深部找矿提供了理论依据——何亚清等（2020）研究指出，三道庄矿区1072米标高以下仍有近 250 米厚的工业矿体，深部找矿潜力巨大。