上新世时期，由于断裂运动的作用，形成了大同—怀来—延庆盆地，发源于盆地四周高地的河流从不同方向汇流到盆地。上新世晚期，大同盆地形成了大同古湖，怀来—延庆盆地形成三个独立的湖泊：涿鹿古湖、官厅古湖、延庆古湖。大同古湖和涿鹿古湖之间被石匣山地（河北阳原与涿鹿之间）分隔。
早更新世（距今243~80万年），延庆古湖和官厅古湖联成一体，西部的涿鹿古湖和东部的延庆、官厅古湖有河道相通。当时曾有两条河流由盆地流入北京平原，一条沿刘斌堡—黑汉岭—四海流入古白河水系，流入北京平原，另一条经八达岭流经南口进入北京平原。这个时期永定河还没有形成。
中更新世中、晚期（距今70~15万年），由于黑汉岭地区急剧隆起，延庆古湖出口河流被黑汉岭切断，靠近延庆古湖一段河流反原来的流向，西流入延庆古湖，八达岭—南口古河也由于八达岭分水岭抬升分为两段。当时流入古湖的河流有大洋河、妍水河和永定河峡谷上游段。这个时期在幽州一带发生地块隆起，使高阶地明显上拱，在幽州至沿河城一带发生大规模重力崩塌，引起河道堵塞，形成堰塞湖。由于沿河城的河道堵塞，使官厅古湖的湖水加积，在官厅至后郝窑一带发生一次大湖侵。中更新世晚期，由崩塌物构成的堤坝被切穿后，使官厅古湖湖水经峡谷泻入北京平原，导致官厅古湖的消亡，自官厅以下永定河始形成。
晚更新世中、晚期（距今15~3万年），是华北陆地强烈活动时期，也是现代地貌形成时期，大同古湖和涿鹿古湖之间的石匣山地切穿，统一的桑干河水系形成，现代水文网基本成型，永定河上下贯通。
永定河流经山峡段，自三家店出山后并没有直接进入北京平原，而是在今孟家山、黑头山、石景山和八宝山以东的峡谷中向东方向流去，在今大灰厂、卧龙岗一带受西山和八宝山断裂、黄庄—高丽营断裂阻挡转向东北方向，沿八宝山断裂、黄庄—高丽营断裂西北低洼地带向东北方流去，在今杨庄、晋元庄一带流入北京平原，形成永定河老冲击扇，该扇形地以石景山附近为顶点，向东北呈扇形展开，其前缘可达通县、马驹桥一带，北缘达清河，南缘达南苑。该冲击扇东西长40km，南北宽30km，面积700k㎡，北京城区就座落在此冲击扇上。扇形地的顶部以砂砾石为主，其前缘则由黄土质粉砂土和粘砂土组成，表层有一层黄土堆积。根据沉积结构、沉积层中的哺乳动物化石和11C年龄测定，确认该冲击扇应于晚更新世晚期形成。
大约在距今12000年~8000年的早全新世，气候开始变暖，冰川消退。这个时期，北京地区气候由温凉偏干向温凉湿润转变。
大约在距今8000年~3000年的中全新世，北京地区气候温暖湿润，但波动变化明显。距今8000~6500年的中全新世，植被为森林草原类型，以落叶阔叶树为主，其中有桦、榛、栎、榆树等，还有少量针叶松等，草本植物有蒿属、禾本科、草等，还有喜暖湿的蕨类，今北京地区尚有遗存。当时北京平原地区平均气温比现今平均高2~3C，永定河自今三家店出山后向东南方向流去，在今大灰厂一带受八宝山断裂带阻拦转向东北方向流去，在今杨庄、晋元庄一带分成两支，一支向东北方向经海淀进入古清河故道；一支向东经老山山北、八宝山北、半壁店向东流去，是为古金沟河故道。
距今6500年~5000年中全新世中期，在大约5600~5000曾有一次短暂的降温过程，对这次降温过程，有学者认为距今5500AB.P。推测这次降温气温下降约1-2C，冷锋时可达5-6C，降水减少，落叶阔叶树桦减少，松、冷杉、云杉大量出现。由于降水减少，河道堆积物不断增高以及八宝山断裂西北盘上升，东西盘下降等综合原因，永定河弃古清河故道，以古金沟河故道为行水主河道。
距今5000年~3000年中全新世晚期，在距今5000~4000年前后，气温升高，气候温暖湿润，降水丰沛。永定河自三家店出山后向东南方向流去，在大灰厂一带受八宝山断裂带阻挡转向东北方向流去，河水流量较大，河床水位较高，依然以古金沟河故道为行水主河道，在今半壁店一带，还有一条支流穿过八宝山断裂带向东南方向流去，形成早期漯水故道(地理学界在漯水故道下部发现了早期漯水故道遗迹,形成于约距今4500~4200年之间)。今北京西部地区以八角山、老山、八宝山为分界,八宝山以北是永定河的古金沟河河道和古清河故道、古金沟河故道河道迁移后遗留下的湖泊沼泽;八宝山以南是永定河早期漯水故道及河道迁移后遗留下的湖泊沼泽。北京地区西部、北部群山到处是茂密的森林，以榆、桑、榛等落叶阔叶林为主,平原地区湖泊沼泽还有湿生的菱、莲子等。《尚书·益稷》记载的“洪水滔天，浩浩怀山襄陵”,就是这个时期自然环境的真实记述。
