地质考古学证明：五亿年前，延安及整个陕北地区是一片汪洋。四亿年前左右，陕北高原开始隆起为陆地。两亿年前，陆台再次逐渐下沉，陕北高原处于海岸线边缘。一亿年前，延安属内陆湖盆地（子长县冯家屯乡驼儿巷村发现的鱼化石鉴定为“古鳕类”，为一亿五千万年前三叠纪遗物。延安市志丹、安塞、黄陵等县出土的众多鱼化石，见证了延安成为内陆湖盆地的环境与变迁），陕北成为亚热带森林草原地带。
距今六千五百万年前至二千二百三十万年前，陕北为鄂尔多斯地块南缘，地表整体抬高300—500米。整个黄土高原包括延安逐渐堆积了深厚的黄土，形成后世黄土高原的地貌景观。自然气候干冷期和湿暖期交替。干冷期为干旱草原气候，主要生存有草原动物；温暖期为森林环境，陆地湖泊俱存，森林茂密，动物繁衍，延安各县区出土的恐龙、草龙、猛犸、剑齿虎、大象、海马、披毛犀牛、鹿、三趾马、野牛、野马等20余种动物化石，以及竹子、新芦木、植物种子蕨化石，显示了当时的自然状况。
三百万年前，陕北高原基本形成，开始出现了人类活动。距今二十万年至一万年间，晚期智人不断进化形成。陕北是古人类生存的适宜区。据《陕西通史·原始社会卷》记：1991年5月，今志丹县金鼎乡谢家湾村广中寺的沟北侧，在距地表深11米的马兰黄土中，发现古人类头盖骨化石，测定距今为五万三千六百年至五万四千年间，称“金鼎人”。1922年，靖边小桥畔村考古发现古人牙齿化石，鉴定为前五万年至三万七千年间的女童牙齿，命名为“河套人”。黄龙县徐家坟南发现古人头盖骨化石，额骨和顶骨完好无缺，中科院鉴定为距今五万年至三万年间晚期智人头骨，命名为“黄龙人”。2008年考古发掘的龙王辿遗址，距今约二万至一万五千年，是旧石器时代向新石器时代过渡时期的人类生活遗址。
距今一万年至五千年间，延安居住的古人类繁衍发展。《中国文物地图集·陕西分册》记：文物普查发现，延安地区新石器时代古人居住的邑点计1080余处。《陕西通史·原始社会卷》记：约公元前五千年左右（龙山文化早期），黄帝部落向东迁徙至陇东、渭北、陕北广大地区，相对定居，以农、牧为业。文物普查发现，延安地区以龙山文化为代表的古人居住点达654个，平均每个居住点的范围为57平方公里。延安境内仰韶文化或龙山文化遗址中，如安塞县方家河村、宝塔区碾庄芦山峁村、甘泉县史家湾村、宝塔区贾家河村，都出土了大量的石、陶器具，证实了延安当时为母系氏族社会，先民们过着由采集、渔猎向种植业转变过渡时期的生活。
约四千至年五千前，延安境内的母系氏族社会向父系氏族社会过渡期间，传说中的少典之子轩辕带领人们在这里经历着向文明时期过渡的生活，轩辕氏被尊为黄帝，《史记·五帝本纪》载“黄帝崩，葬桥山”。后人恭称其为“人文初祖”。延安许多地方有大禹治水的传说。《尚书·蔡氏集传》注，“壶口，山名，禹受命治水所始”。《水经注》记，“龙门未辟，吕梁未凿，河出孟门之上，大溢逆流，无有丘陵，高阜灭之，名曰洪水，大禹疏通，谓之孟门”。大禹时代，天下地理区划分为九州，今延安属雍州之域。