黃河的孕育、誕生、發展受制於地史期內的地質作用，以地殼變動產生的構造運動為外營力，以水文地理條件下本身產生的侵蝕、搬運、堆積為內營力。在成河的歷史過程中，運動不息，與時俱進。黃土高原的水土流失與黃河下游的泥沙堆積在史前地質時期就在進行，史後受人類活動的影響與日俱增。故記述黃河的河道變遷及水系情況，先說古黃河的地質演進，繼述人類活動時期黃河下游的變遷，再述現有水系的分佈與特點，以及流域範圍和相關密切地區。
黃河
根據多方面的研究，古黃河有三個發展階段：1．第三紀至第四紀的早更新世為古黃河孕育期。2．第四紀中更新世（距今115萬年～10萬年）古黃河誕生成長期。3．晚更新世（距今10萬年～1萬年）黃河形成海洋水系。黃河變遷的情況有歷史傳說及史料記載，可資查考。
已有的地學資料表明，中生代燕山運動奠定了中國大陸的輪廓，新生代喜馬拉雅運動塑造出中國自西向東三大階梯的地貌格局。黃河的形成與發展即受制於這一地質、地貌條件。據地學家的研究，黃河約有150萬年孕育發展的歷史，先後經歷過若干獨立的內陸湖盆水系的孕育期和各湖盆水系逐漸貫通的成長期，最後形成為一統的海洋水系。
一、古黃河胚胎孕育期
在第三紀和第四紀的早更新世（距今150萬年～115萬年），華北——塔里木古陸塊上有著許多古湖盆，在當代黃河所在的區域內，自西而東有：共和、西寧、隴西、寧南、銀川、河套、陝北、晉西、隴東、汾渭、洛陽、沁陽及華北等古湖盆。直到晚早更新世西部又增添了古扎陵、鄂陵湖和古若爾蓋湖。由於西高東低梯形臺地的形成，每個湖盆都是當地河流的歸宿，今天的渤海，當時也是湖。這些湖盆水系互不聯通，各自成為獨立的內陸水系，拉加寺以下共和湖盆水系，劉家峽以下銀川湖盆水系，由河曲以下一系列小型湖泊匯入的汾渭湖盆水系，以及華北湖盆水系。這些湖盆水系的形成與發展，孕育著黃河的誕生。
二、古黃河誕生成長期
黃河
中更新世（距今115萬年～10萬年），本區地殼產生明顯的差異性構造運動，湖盆之間的隆起帶上升強烈，引起河流急劇下切，不僅使早期已具雛形的古河道繼續加深增寬，而且區域性水文網絡開始出現，某些地段由於水流強烈的溯源侵蝕逐步連通形成大河，有的湖盆萎縮，甚至被疏乾涸。大體上在早中更新世（距今115萬年～50萬年間）阿尼瑪卿山以東地區地殼出現大面積抬升，隆起段的河流負向侵蝕強烈，首先是共和湖和汾渭湖被拉開，湖泊漸次消亡，從龍羊峽至小浪底，所有的河谷地段普遍發育著最高一級階地——第四級基座階地，記下了古黃河的發育里程。
從晉陝、三門峽、孟津峽谷和蘭州等寬谷地段古黃河及其支流發育的第三級基座階地，共和盆地、汾渭盆地發育良好的三級階地，以及陝北、隴東、寧南、隴西地區的（土掌）地和（土丈）地，都是發育在晚中更新世（距今50萬年～10萬年間），它的割切深度一般30～50米，最深達70米，說明這是古水文網的大發展時期。至此，除共和盆地以西和沁陽盆地以東仍為獨立湖盆水系外，其餘地段古黃河已相互溝通，古黃河流域中都已出現統一的古水文網系統，河道也基本定型。
綜上所述，在長達105萬年的中更新世，是黃河發育史上一個極為重要的歷史階段，即由多元的獨立湖盆水系，逐步發展成為一條統一的古黃河的過渡時期。
三、海洋水系的形成
距今10萬年至1萬年間的晚更新世，系流域內古水文網發育的歷史性轉折期。在此期間古水文網系統發育的特點是：大部分古湖盆已淤積消亡，少數存留的水域面積也大為縮小，如扎陵、鄂陵、若爾蓋、臨河、冀中及天津等古湖泊。此外，古冀中湖因泥沙淤積使湖區面積大為縮小，其東側斷隆上升，將古湖一分為二，位於北部者仍稱冀中湖，展布於南部者稱古長垣湖。今天津以東水域為海水所侵佔，稱為古渤海，古黃河經天津湖入海。古黃河中、上游段，不論幹流或支流，普遍發育有第二級階地，峽谷與寬谷段為基座型，只有東部裂谷盆地段為堆積型，且以上疊式為主。階地的成因，除銀川、臨河兩處為湖成外，其他均為河流階地，說明當時河流的侵蝕比較強烈。各河段的沉積厚度很不一致，隆起段比較薄，一般不超過30米；盆地段較厚，自15～400米不等。由此可知，晚更新世時裂谷盆地下降幅度大，隆起上升幅度也很大。所以，高原古黃土溝谷切割非常厲害，並且形成完整的古溝道系統。
當古黃河貫通古湖盆入海後形成為海洋水系，海平面就成為全河統一的侵蝕基準面，河床縱剖面在海平面升降控制下進行調整，並向統一的均衡曲線方向發展。從此黃河河床進入統一的調整階段。上升段的河流作用以負向侵蝕為主，而急劇下沉的裂谷段則大量淤積，產生削高填低的夷平過程。
在距今10000年至3000年的早、中全新世時期，河水上下貫通，古湖盆大都乾涸、消亡，溝系發育迅猛，尤其是黃土高原，出現“千溝萬壑”，是古黃河水系的大發展時期。隨之土壤侵蝕嚴重，河水泥沙巨增。在此期間，古渤海曾兩次西侵，而以中全新世入侵的範圍為最大，西部邊界大體達今運河附近，並在此地帶留下古貝殼堤的遺蹟。由於洪水泥沙增加和海平面升高，河水排洩受阻，因而造成遠古洪荒時代，留下大禹治水的傳說。
