下流部分の「天神川」の名称は近世以降のものである。かつてこの川は東郷湖や橋津川に注いでおり、歴史的には川の右岸（東側）にあたる長瀬地域では「長瀬川」、左岸の北条地域では「北条川」と呼ばれていた。江戸時代に河道の大改修があり、今のようにまっすぐ海へ注ぐ形になった。このときに菅原道真を祭る神社の境内を掘削し、神社を移転したことから、この改修部分を「天神川」と呼ぶようになった。竹田川と小鴨川・国府川が合流せず、それぞれ別に海に注いでいた時期もある。
一般に、中国地方では第四紀に中国山地が曲隆したせいで、全般的に海岸部の平野が狭い。山陰地方では、冬に北西から強い季節風が吹く影響で、日本海側で砂州や砂丘が発達しており、その背後には潟湖（ラグーン）や沼沢地・後背湿地ができる。倉吉平野もこうした典型である。
砂丘が形成される過程で、火山の噴火や中国大陸からの飛来塵による層が形成されたり、氷期と間氷期の海水面の上下動によって海没した際に海底で作られる地層が形成される。現在の砂丘にある砂の層の下を調べ、こうした地層や古砂丘を確認することで、砂丘の生成過程や年代を知る手がかりになり、沖積平野全体の生成史も推測できる。このため、これらの各層の研究は盛んである。
一級河川の中でも天神川は特に急流で、上流部の中国山地や大山の火山灰地を激しく浸食して大量の土砂を流した。その結果として沖積平野が形成されるが、流した土砂によって河道が狭まって何度も氾濫し、大きく流路を変えてきた。天神川、小鴨川、国府川や隣接する由良川などは、歴史的に大きく流路を変えて河川争奪を繰り返してきたことが歴史的史料や伝承として残っており、地質調査や遺跡の考古的研究から、こうした伝承や記録が裏付けられている。
北条平野や羽合平野はその頃からの農業地帯で、飛鳥時代に敷かれた条里制が今でも広範囲に残っている。これらの地域には山陰道などの古道が通っていたが、砂丘の影響で村が発展しにくく、大きな街道村へ発展することもなく、現代でも農業地帯となっている。近世以降に潟湖が干拓された地域では、古代の条里制とは異なる区割りがされており、古くからの水郷地帯と新田地域を区別することができる。