おおよそ1,600万年前までは、東日本の多くが海底に沈んでいました。長野盆地の場所も海の底でしたが、約1,300万年前になると、まず盆地の東側が隆起して陸地となります。そしてしばらくすると、岐阜県と長野県の県境に位置する北アルプス（飛騨山脈）も隆起。このあと長野県の松本市周辺から北側は、日本海に面した大きな湾を形成しました。

　北アルプスの山々からは、何本もの川が湾に流れ込み、地殻変動による隆起と共に砂や泥が堆積していきます。こうして長野湾は時が経つにつれて少しずつ浅くなり、海岸線は北へ退いていきます。長野県の地域がすべて陸地になったのは約160万年前と考えられています。

　海岸線が北に移動すると、かつての長野湾は広大な平野になりました。その状態が長く続きましたが、約50万年前になると平野の西側が1,000m前後に隆起。既に隆起していた東側の山地との間に大きなくぼ地が生じました。ここに、千曲川や犀川が流入するようになり、土砂がどんどんと堆積して長野盆地の平地が形成されていきます。ちなみに現在の長野盆地の西側の山々の地層からは、貝などの化石が数多く産出されます。

　長野盆地を北流する千曲川は、山梨県・埼玉県・長野県の3県の境にそびえる奥秩父連峰が源流です。佐久盆地や上田盆地を経て、長野盆地に流入し、新潟県に入ると信濃川と呼び名を変えます。一方の犀川は上高地や乗鞍高原など北アルプスを源流とし、さまざまな河川を合流させながら松本盆地を通過。その後、長野盆地に入り、盆地の中ほどで千曲川と合流します。この両川は、作物を育てる上で栄養素となる肥えた土砂を、長野盆地に定期的に運んでいるのです。

　千曲川は千の数ほど曲がっている川の様子からその名がつけられたという説があります。人工の堤防がなかった頃は、千曲川は土砂が溜まるたびに盆地の中で自由に流路を変え、また別の場所に堆積を始めます。特に犀川と交わる辺りではこの動きが活発で、中州や自然堤防と言われる少し高い島状の土地がつくられました。現在の長野盆地の川近くに、川中島、青木島、丹波島、大豆島（まめじま）など、「島」のつく地名が多く残るのは代々伝えられた土地の記憶です。このような島には古くから集落が営まれました。

　自然堤防の地表部分は砂などの荒い堆積物が多く水はけが良いため、古くから畑や果樹園に利用されています。例えば、大豆島は川漁師が漁の合間に大豆をつくっていたのが名前の由来といわれます。一方の低い土地は粘土質の細かい堆積物の土壌で水回しが良く、水田が広がっています。長野盆地は千曲川と犀川が育み続ける土地の特性を生かしながら豊かな農業を展開し、多くの実りを産出しているのです。

　長野盆地では川沿いの自然堤防にいくつもの遺跡跡が発見されています。また、盆地を囲む山腹には多くの古墳が残っており、数多くの装飾品が出土しています。

　長野盆地は川の恵みを受ける一方で、川の氾濫とも向き合ってきました。長野市長沼にある玅笑寺（みょうしょうじ）には過去の洪水の水位を記した水位標が立てられています。2019年の台風19号による洪水の水位は2m30cmで、過去最も高かった江戸時代中期1742年に次いで2番目でした。

　千曲川や犀川が運ぶ土砂はとても肥沃であったため、当地では鎌倉時代から米と麦の二毛作が行われるなど生産性の高い地域として古くから栄えました。