300万年前的第四纪，形成了山地、盆地、台地、低山丘陵、中高山的综合体系，加剧了渭河流域的改良。200万年前，在更新世早期，渭河上游是亚热带气候，向温暖地带过渡。环境潮湿，植被茂密，水源丰富。内陆湖分布，渭河水主要靠地下潜水补给。更新世中期，地壳再次断裂，湖泊洪水交错，河谷继续下切，山丘被黄土覆盖，地下水减少，渭河流量逐渐减少。2万年前，中更新世晚期，气候变得干燥寒冷，西北风盛行。源区堆积马兰黄土，覆盖老黄土(红层)，呈现黄土地貌格局。此时湖泊消失，渭河水系定型，大体形成自西向东的主干河流，但南北支流比主干道长，这是渭河的独特之处。盆地下切，河谷被侵蚀，形成二级冲洪积扇阶地。渭河主要由溪流泉水补给。在12000年前的全新世时期，地壳持续上升，山谷再次被切割，许多河流形成峡谷。河流两岸出现一级冲积扇阶地，渭河形成季节性河流，干旱少雨，流量减少。持续的降雨和暴雨河水上涨，使得渭河不同于黄河和长江。黄河和长江的源头有许多天然流入的湖泊和4000米以上的高原冰川，因为地下潜水和冰川融化，源头有充足的流量。而渭河则主要靠众多支流汇集，地下水很少，靠天上的降水补充。所以有“渭河之水，自天上来，入海洋，一去不复返”之说。
