土屋铜矿的成矿模式是一个典型的岛弧环境斑岩型铜矿床成矿过程，其形成与晚古生代东天山地区的构造-岩浆演化密切相关。石炭纪，在塔里木板块与准噶尔板块碰撞对接的构造背景下，大南湖—头苏泉岛弧带处于活动大陆边缘环境，沿大草滩和康古尔塔格两条深大断裂发生大规模岩浆活动。早石炭世，岛弧火山活动强烈，玄武岩、安山岩等中基性熔岩和火山碎屑岩大量喷发，形成了企鹅山群火山—沉积岩系。在火山活动的晚期，岩石发生广泛的青磐岩化蚀变（绿泥石化、绿帘石化、阳起石化），这是前成矿期的重要标志，为后续铜的活化迁移奠定了基础。
随后，次火山岩相的闪长玢岩和玄武玢岩沿火山机构断裂侵位，构成了火山—侵入杂岩体的第二旋回。至早石炭世晚期（约333百万年前），富钠质的钙性—钙碱性斜长花岗斑岩侵入到火山机构断裂系中，成为成矿母岩。斜长花岗斑岩在冷却结晶过程中分异出富含铜、硫、氯等成矿物质的岩浆热液，沿岩体裂隙和接触带运移，与围岩发生交代反应，触发了主成矿期的矿化作用。主成矿期可进一步划分为三个矿化阶段：①钾硅酸盐阶段（高温，约300℃—350℃），形成黑云母化、钾长石化蚀变，伴随磁铁矿和早期黄铜矿沉淀；②绿泥石-绢云母阶段（中温，约200℃—300℃），是黄铜矿大量沉淀的主阶段，形成浸染状和细脉状矿石；③黄铁绢英岩化阶段（低温，约120℃—200℃），以黄铁矿和少量黄铜矿沉淀为主，主要分布在矿体外围。
成矿流体研究表明，土屋铜矿成矿温度为120℃—350℃，盐度为9%—12% NaCl当量，流体氢氧同位素显示以岩浆流体为主，混有大气降水和变质水；硫同位素δ34S为0.2‰—8.0‰，表明硫来自地球深部（幔源或深源岩浆）。矿床的形成受到构造、岩浆岩和地层三重因素的联合控制：构造因素方面，大草滩和康古尔塔格深大断裂控制着区域岩浆活动和成矿带分布，东西向次级断裂是含矿斑岩侵位和热液运移的主要通道，断裂局部膨大地段是矿体赋存的有利空间；岩浆岩因素方面，斜长花岗斑岩是成矿母岩，提供了成矿物质和热液，闪长玢岩是主要容矿岩石，岩体几乎全岩矿化；地层因素方面，企鹅山群第二、三岩性组分界面是含矿斑岩侵位和矿体赋存的重要层位。在空间上，矿床发育典型的“中心式”蚀变分带和“铜在内、黄铁矿在外”的矿化分带。这一模式为东天山地区寻找同类型斑岩铜矿提供了重要指导——在下石炭统企鹅山群火山岩发育、华力西期中酸性浅成侵入体出露、东西向断裂交汇的部位，以及地表发育孔雀石化和青磐岩化—硅化—绢云母化蚀变组合的地区，是寻找斑岩型铜矿的有利远景区。
