关中盆地夹持于陕北高原与秦岭山脉之间，为喜马拉雅运动时期形成的巨型断陷带。盆地两侧均为高角度正断层。断层线上有一连串泉水和温泉出露。南北两侧山脉沿断层线不断上升，盆地徐徐下降，形成地堑式构造平原。

关中平原形成后，不仅有黄土堆积其间，更重要的是渭河及其两侧支流携带大量泥沙填充淤积其中，第四纪松散沉积，最大厚度达7000余米。因地壳间歇性变动和河流下切，形成高度不等的阶地。