宁夏平原的形成经历了漫长的地质作用和演化过程。它作为一个新生代断陷盆地，第三纪、第四纪沉积物极为发育。据钻探证实，第四纪最大厚度在1600m以上，第三系厚度2000～2500m，地层产状平缓。但是，宁夏平原曾经长期和贺兰山“相依为命”，经历了大体相似的演化历史。在燕山造山运动的作用下，宁夏平原相伴着贺兰山，再度被强烈抬升，当时宁夏平原的海拔竟比贺兰山还要高。
关于宁夏平原何时和何种机理导致的急剧下沉，目前学术界还有不同的认识。被大多数学者认同的观点是，夹峙在贺兰山和鄂尔多斯高原之间的宁夏平原在喜马拉雅山运动作用下，其东、西两侧产生了两条巨大的断裂，导致宁夏平原的强烈下陷，形成地堑式构造格局，地质学中将其称为“银川地堑”。一种看法认为，大约从新生代开始，宁夏平原在欧亚大陆板块与太平洋板块间被拉张而致深度下陷。还有一种意见认为银川平原应是一个深大裂谷，很可能这个裂谷一直朝南延伸至云南。尽管学术见解不一，但一个最基本的事实则是，从新生代开始宁夏平原再度剧烈下沉，下沉幅度之大在我国当属罕见。宁夏平原凹陷成为一个深数千米的峡谷后，广泛接受着从周邻隆起地区搬运来的大量泥、砂、砾石等碎屑物质，再加上在黄河冲积作用下搬运来大量沉积物广覆在表层，形成了平坦广阔的平原地貌。