在300万年前的第四纪时期，形成山岭、盆地、台原、低山丘陵、中高山地貌综合体系，加剧了渭河流域的完善。200万年前更新世早期，渭河上游属亚热带气候，向温暖带过渡，环境湿润，植被茂密，水源充沛，分布着内陆湖泊，渭河水主要由地下潜水供给。更新世中期，地壳再次断裂，湖洪积错断，沟谷继续下切，丘陵被黄土覆盖，地下潜水减少，渭河流量逐渐缩小。2万年前的中更新世晚期，气候转为干寒，西北风盛行，源头大地堆积了马兰黄土，披覆于老黄土（红层）之上，展现出黄土地貌格局。此时，湖泊消失，渭河水系定型，大体形成由西向东的主河道，却南北支流均长于主干道，这就是渭河独有的特征。盆地下切，谷地出现侵蚀，形成二级冲洪积扇阶地，渭河主要以溪流泉水供给。1.2万年前的全新统时期，地壳继续上升，河谷再度下切，河流多形成峡谷，河两岸出现一级冲洪积扇阶地，渭河形成时段性河流，干旱少雨，流量减少，连续降雨、大暴雨河流上涨，形成渭河与黄河、长江不同的故有特点。黄河、长江源有很多天然内流湖泊和4000米以上高原冰川，地下潜水和冰融供济，源头就有充足的流量。而渭河却相反，主要靠多支流汇集，支流地下水少，靠天上降水补济。因而故有“渭河之水天上来，奔流到海不复回”之说。
