从地质构造来看，延安属于华北陆台鄂尔多斯地台的一个组成部分。鄂尔多斯地台也称陕西构造盆地，其东界是吕梁山脉，南界是渭北北山山脉。(也称黄龙山山脉)，西界是贺兰山，北界是阴山山脉。
鄂尔多斯地台在距今5亿年前的古生代奥陶纪以前，曾长期是海洋的领地。从4亿6千万年前的古生代的中奥陶纪后期开始，鄂尔多斯地台才开始隆起成陆。后来，又经过亿万年的地壳变迁，到距今约3亿年的古生代石炭纪时，地台东部边缘逐渐下沉，造成海水再次入侵。当时的海岸线是在延安地区东部边缘地带，即延川、延长、宜川一带。
发生在距今2亿年前的古生代二叠纪后期的海西运动，造成了鄂尔多斯地台周围山西地台、六盘山地区、秦岭3个脊梁的隆起，从而使鄂尔多斯地台成为内陆盆地。随着地壳的振荡运动，在中生代三叠纪时期，陕北盆地成为一个内陆湖盆地区。这种湖水荡荡的景象一直持续到距今1亿l千万年前的中生代下白垩纪时期，由于四川运动造成地台抬升，从而结束了本地区长期内陆盆地沉陷的历史。子长县冯家屯乡驼儿巷村发现的l亿7千万年以前的安定贝莱鱼化石，便是这段地质时期的极好见证。
新生代第三纪时期，鄂尔多斯地台气候炎热潮湿，雨量充沛，植物丰盛，属亚热带草原地区。在这片广袤的草原上，繁衍和生息着三趾马和高氏羚羊等食草类动物。
上新世末期发生了喜玛拉雅运动，影响到本地区，使鄂尔多斯地台升起形成了高原。在高原的四周也相继发生了断陷或隆起，基本上奠定了鄂尔多斯地台的现代地貌大势。
到了二、三百万年以前的更新世时期，在鄂尔斯地台上又相继堆积了午城黄土、离石黄土和马兰黄土。陕北黄土高原已基本形成。黄土高原的形成时期，也正是人类历史的黎明时期。
1975年，黄龙县修建尧门河水库时，在坝地北侧的徐家坟山南坡取土时发现了人类头盖骨化石。同时出土的有斑鹿角化石。出土的人类头盖骨代石保留了额骨和顶骨部分。经中国科学院古脊椎动物与古人类研究所1983年鉴定，属晚期智人中的一种过渡性的类型，距今约3至5万年左右，并被命名为黄龙人。
黄龙人晚于马坝人，丁村人，而早于河套人、山顶洞人、 柳江人。它充分证明，延安也是人类童年的摇篮之一。
1987年秋季，在子长县栾家坪乡龙岗寺台、安定镇寨关山，延川县禹居乡和贾家坪乡，安塞县沿河湾乡县南沟等地，相继发现了细石器。其中有砍砸器、刮削器、石核、石镞、尖状器等。这一发现填补了延安历史的一段空白。说明在旧石器时代以后，新石器时代以前，延安曾经是黄龙人的后裔们生息、繁衍的地方，他们不畏艰险，不怕困难，靠采集和狩猎来维持生活。
人类社会进入新石器时代以后，延安优越的地域环境为我们的先民提供了赖以生存的理想场所。星罗棋布般的分布在各县、市的仰韶文化半坡类型、庙底沟类型。马泉窑类型文化遗址，让我们看到了5千年以前母系氏族公社的空前的繁荣。当时，气候相当温暖，茂密的亚热带植物分布在延安大地上，成群的貘和大量的水麂、野狸、竹鼠出没其间。水源丰富，植被良好，使先民们能够靠渔猎来维持生活。同时，又兼营着早期的农业种植，从而实现了由采集业向种植业的转变。当时的主要农作物品种是粟，即谷子。直至今天，谷子仍是延安人民主要的农作物品种之一。经历了几千年沧桑变化遗存下来的尖底瓶、圜底钵、石斧、石锛、石镰、石网坠等，向人们默默地展示着昔日的繁荣。
大约从5千多年前起，母系氏族公社逐步解体，转变为父系氏族公社。作为这一时期文化遗址代表的龙山文化遗址，在各地大量被发现。吴旗县还发现了同时期的齐家文化遗址。当时的人们已开始饲养家畜、围猎和织造纺织品。房屋建筑技术也提高很快，人们用天然的含碳酸钙丰富的礓石作原料，将其粉碎后调水使用，用来涂抹地坪和粉刷墙体，这就是人们通常说的居住面。数量可观的陶器和石器大量被发现，并发现有石纺轮、陶纺轮等。说明当时的社会经济规模已很可观。黄龙人的后裔们已跨越了由野蛮向文明过渡的门坎，把社会历史不断推向前进。
除了考古发掘的材料外，神话传说也有助于了解延安的远古史。
辛亥革命胜利以后，伟大的革命先驱者孙中山先生曾写过一首气壮山河的诗篇：中华开国五千年，神州轩辕自古传。创造指南车，平定蚩尤乱。世界文明，唯有我先!
据史书记载，黄帝是有熊国君少典之子，号轩辕氏，有熊氏，因生于姬水之旁，故姓姬。黄帝生于神农之世。当时，神农氏衰老，诸候互相攻伐，暴虐百姓；而其中以东方九黎部落首领蚩尤最为凶暴；但神农氏无力征讨。黄帝乃征师诸候，与蚩尤战于涿鹿之野。在这场大战中，传说蚩尤请来的风伯雨师兴风作雨，自己又广布浓雾，而黄帝则请天女魃下来相助，又制造了指南车，以在浓雾中辨别方向．又令人吹号角作龙吟，唬走了魔怪，擒杀了蚩尤。黄帝还融合了姜姓部落首领炎帝族。从此被各部推为部落联盟首领，以代替神农氏。
在古代传说中，人们把许多创造发明都推源于黄帝时期，如用玉(坚石)作兵器，造舟车弓矢，染五色衣裳，发明了锅和镜子，都被看作黄帝的功绩。至于仓颉造字、伶伦制乐器、大挠作干支，歧伯著医书、常仪占月、羲和占日、臾区占星气，隶首作算数。容成造历、胲驾牛等，都是黄帝时期的发明创造。传说黄帝的正妃嫘祖妃亲自养蚕，并用于抽丝和织锦，从而为人类的织造史，竖起了一块里程碑。
由于黄帝统一了中原各部落，因此唐尧，虞舜以及后来的夏、商、周三代，都尊黄帝为始祖。后来，中华各民族都自认为是黄帝的后代，称为炎黄后世或黄帝子孙。
据传说，黄帝曾采首山铜，铸鼎于荆山。鼎成之日，有龙自天垂胡髯下迎黄帝，黄帝上骑，群臣后宫从上者70余人。
黄帝的臣属左彻等人也想相从升天，便拽住黄帝的衣襟和靴子，无奈力不从心，只拽下一只靴子和一块衣襟。左彻便将靴子和衣襟埋在桥山之巅。而《史记·五帝本纪》则载：黄帝崩，葬桥山。这就是位于黄陵县桥山的黄帝陵。汉代开始，又在桥山之麓置黄帝庙。秦汉以来，历代王朝和政府每逢清明节和国家大典均要派员前来祭祖谒陵。l937年4月5日，苏维埃政府主席毛泽东、人民抗日红军总司令朱德恭遣代表林伯渠，前往黄帝陵祭祀轩辕黄帝。毛泽东主席还亲笔书写了祭文：赫赫始祖，吾华肇造，胄衍祀绵，岳峨河浩。聪明睿智，光被遐荒；建此伟业，雄立东方……
黄帝是中华民族的始祖；黄帝陵是中华民族共同赡拜的民族圣地，也是海内外黄帝子孙团结和统一的象征。
禹生在氏族制后期的尧舜时代，传说他是黄帝的玄孙。相传古帝尧时代，我们国家遭受了一场可怕的洪水灾害，江河横溢，人民备受荼炭之苦。尧派禹的父亲去治水，逾9年而无功。尧死后，舜被推举为部落联盟首领，派禹去继续根治洪水灾害,禹接受了他父亲鲧用堙、填之法治水而失败的教训，采取了修堤堵水和疏通河道相结合的办法去治水，终于最后治服了洪水。
大禹治水首功之处，乃壶口瀑布。据《吕氏春秋·爱类篇》载：昔上古龙门未开，吕梁未发，河出孟门大溢逆流，无有丘陵沃衍，平原高阜，尽皆灾之，名曰鸿水。禹于是疏河决江，为彭蠡之障。干东土，所活者千八百国。此禹之神功也。《水经注》曰：孟门即龙门之上口也，实为黄河巨扼。．此处始禹凿河中，漱广夹岸，崇深倾岩，返捍巨石，临危若坠，复倚其中，水流交冲，素气云浮。延川县文安驿川有禹居村，传说乃禹到雍州时进行实地调查和测量时居住过的地方，因以为名。禹到宜川衣锦村居住时，曾娶周姓女子为妻。这里的人们后来修了一座禹王庙，因为禹是该村的姑爷，所以人们叫作：姑夫庙。
据说，禹治水先后历l3年，三过家门而不入。妻子生子，他也没有回去看一眼。他身带工具，左准绳，右规矩，亲自参加劳动，大腿累得没了肉，小腿磨得没了毛。洪水退了以后，禹又领导人们生产劳动。他叫益把稻种发给人们播种，叫后稷教人们种庄稼。人们渡过了洪水以后的灾荒。
禹得到人们的高度尊敬。《诗·小雅·信南山》：信彼南山，维禹甸之。《火雅.韩奕》：奕奕梁山，维禹甸之。《大雅.文王有声》：丰水东注，维禹之绩。《商颂·长发》：洪水茫茫，禹敷下土方。人们把为人民为民族而献身的优秀品质，都集中在禹一个人身上。大禹是中华民族的民族魂。大禹治水留下的圣迹壶口瀑布和盂门山，沸腾着民族的血液，跳动着民族的脉搏，孕育着民族的灵魂。壶口瀑布是我们民族自强不息，倔强的自立于世界民族之林的伟大象征。
