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。一二级阶地组成关中平原的主体，当地称“原”，自上而下如阶梯状的头道原、二道原、三道原。三道原相当于二级阶地。原面受渭河南北支流切割而破碎。渭河以北，从西向东有西平原、和尚原、周原、积石原、始平原、毕原、美原、许原等；渭河以南从西向东有五丈原、细柳原、神禾原、少陵原、白鹿原、铜人原、阳郭原、孟原等。