在元古代(大约25亿年前至6亿年前)，北京地区曾是一片汪洋大海。考古发掘出的大约10亿年前的蓝藻化石——海洋的特有物种——证明了这一点。后来，现在的北京地区附近遭遇剧烈的造山运动，即“燕山运动”，强烈的地壳运动和火山喷发使燕山和太行山逐渐隆起，北京地区也形成了西北高、东南低的地貌格局。永定河携带着大量泥沙，穿山切谷奔流而下。在漫长的岁月里，泥沙填平了太行山与燕山之间的古海湾，形成了如今的“北京小平原”。

    几万年前，北京的原始湿地比比皆是，原始牛、鹿科、斑羚等动物生活在这片土地上。清朝年间，北京南部仍保存大面积湿地，喜湿润气候的麋鹿就在东南部沼泽地区“南海子”繁衍生息。

    从清泉河到无定河

    今天，北京市境内有大小河流200多条，分属于海河流域的五大水系：西部的永定河水系，西部的大清河水系，中部的温榆、北运河水系，东部的潮白河水系和蓟运河水系。这些水系中的河流除人工运河外，在古代大多早已存在。

    永定河发源于洋河(发源于内蒙古兴县境内)、桑干河(发源于山西宁武县管涔山北麓)、妫水河(发源于延庆县黑汉岭西北)，3条河流在河北怀来县朱官屯汇合后称永定河。永定河再向东流，折而东南，在官厅村附近注入官厅水库。出库后进入北京市门头沟区，由西北流向东南，在长达110公里的高山峡谷中奔流，沿途纳入沿河城沟、湫河、清水河、下马岭沟、苇甸沟、清涧、樱桃沟等支流。出三家店后为下游，坡势骤缓，流经石景山区、丰台区、房山区、大兴县，沿途又汇入大小龙河、天堂河等支流。在大兴县石佛寺附近进入河北省，东流至天津市汇入海河而注入渤海。

    远古时代，永定河已形成出山后的基本流向，但由于地质构造运动与河流从上游夹带的泥沙淤积河床等原因，河道迁徙。大体以出山口三家店为基点，在北起今天的清河，西到小清河、白沟河的方圆百里范围内摆动，形成广阔而肥沃的冲积扇平原，并且留下几十条故道。有些故道的余脉变为山泉、湖泊和地下水，为北京远古先民提供了水源。今天的北京城就建在永定河冲积扇的脊背部。可以说，永定河是北京的“摇篮”。

    在汉晋时期，永定河尚有“清泉河”、“清泉水”的美称。隋唐以后，水质开始变黑，称卢沟水，“卢”意为黑色。永定河元明时期始称“浑河”，水性浑浊，暴涨暴落，“春末无水沙自涨，雨多散漫遍汪洋”，雨季时更是激流震荡，浸蚀堤岸，决口泛滥，致使河道迁徙无常，故名“无定河”，也有“小黄河”之称。

    康熙三十七年(1698年)，康熙皇帝鉴于该河连年水患，严重危及京师安全，着令巡抚于成龙对无定河大加疏浚，并在卢沟桥下筑起一条自良乡老君堂口直至霸州柳岔口三角淀的百里长堤防水，“浚河百四十五里，筑南北堤百八十余里，赐名永定”，希望横行难驯的无定河从此固定河床，安定下来。

    据统计，永定河辽代平均94年泛决一次，金代平均22年，元代平均7年，明代西山皇陵、寺庙较多，森林局部恢复，平均13年泛决一次，到清代则平均3年就泛决一次。其中，康熙七年(1668年)和嘉庆六年(1801年)，洪水涌入北京城。《客舍偶闻》中记载：1668年“浑河水决，直入正阳、崇文、宣武、齐化诸门。午门浸崩一角”。

    王建分析说，洪水泛滥主要是上游流经黄土高原，而河水夹杂泥沙和滥伐森林造成的。辽金两代，北京地区森林开始遭受大规模破坏——营建帝王宫室，人口数量增加，田园展拓，辽、宋、金之间的战争等需要砍伐和消耗大片天然森林。据《日下旧闻考》记载，海陵王完颜亮迁都北京后，为伐南宋，命右丞相李通在燕山督工匠打造兵器，又遣工部尚书苏保衡等在通州督造战船。当时有诗：“坐令斩木千山童，民间十室八九空。老者驾车辇输去，壮者腰斧从鸠工。”元代新建大都城，木材需求量非常大，绝大部分采自西山，“西山兀，大都出”。中国历史博物馆藏有一幅元代无名氏所绘的《卢沟运筏图》，图中描绘了卢沟桥上下游运输木材的情景。

    过度砍伐，使郁郁葱葱、峰峦秀拔、林木森密的幽冀之区变成明清以来幼树稀疏的荒山秃岭。1949年，北京地区森林覆盖率仅为1.3%。西山森林破坏造成大量水土流失，加重了永定河的淤塞、泛滥和改道，成为威胁京城安全的主要水患。