寧夏平原的形成經曆了漫長的地質作用和演化過程。它作為一個新生代斷陷盆地，第三紀、第四紀沉積物極為發育。據鑽探證實，第四紀最大厚度在1600m以上，第三係厚度2000～2500m，地層產狀平緩。但是，寧夏平原曾經長期和賀蘭山“相依為命”，經曆了大體相似的演化曆史。在燕山造山運動的作用下，寧夏平原相伴著賀蘭山，再度被強烈抬升，當時寧夏平原的海拔竟比賀蘭山還要高。
關於寧夏平原何時和何種機理導致的急劇下沉，目前學術界還有不同的認識。被大多數學者認同的觀點是，夾峙在賀蘭山和鄂爾多斯高原之間的寧夏平原在喜馬拉雅山運動作用下，其東、西兩側產生了兩條巨大的斷裂，導致寧夏平原的強烈下陷，形成地塹式構造格局，地質學中將其稱為“銀川地塹”。一種看法認為，大約從新生代開始，寧夏平原在歐亞大陸板塊與太平洋板塊間被拉張而致深度下陷。還有一種意見認為銀川平原應是一個深大裂穀，很可能這個裂穀一直朝南延伸至雲南。盡管學術見解不一，但一個最基本的事實則是，從新生代開始寧夏平原再度劇烈下沉，下沉幅度之大在我國當屬罕見。寧夏平原凹陷成為一個深數千米的峽穀後，廣泛接受著從周鄰隆起地區搬運來的大量泥、砂、礫石等碎屑物質，再加上在黃河衝積作用下搬運來大量沉積物廣覆在表層，形成了平坦廣闊的平原地貌。