在欧洲的北部,北海海盆是在三叠记与侏罗纪时形成的,直到都还现在沉积物仍继续堆积。在阿尔卑斯造山运动与北海海盆沉积之间的区域,地势仍然比较高,包括阿登、埃菲尔山与孚日省,这是因为比较早期的华力西(Variscan)造山运动所造成的。在始新世之后,阿尔卑斯造山运动在这个区域造成了一个N-S裂口系统。这个裂口主要是由位于德国东南部/法国东部的上莱茵地堑与德国西北部/荷兰东南部的下莱茵湾。在中新世的时候,一个河流系统在上莱茵河地堑发展起来,它继续往北流,被认为是最早的莱茵河。在这时期,还没有任何支流流入莱茵河,反而隆河与多瑙河的分水岭从阿尔卑斯山北侧流走。河流袭夺现在阿尔卑斯山是莱茵河的分水岭,但是原先并非如此。在中新世时,莱茵河的分水领只有到埃菲尔山与韦斯特林山的南部,大约位在阿尔卑斯山北边450公里的位置。然后Sieg流入莱茵河,不过摩泽尔河则尚未成为莱茵河的支流。阿尔卑斯山北麓则往多瑙河注入。莱茵河凭著河流袭夺往南延伸,并导致它的支流持续增加。在上新世时期,莱茵河已经靠着河流袭夺达到孚日山脉,包括摩泽尔河、美因河与内卡河都成为它的支流。阿尔卑斯山北部则是隆河的流域。莱茵河在更新世早期时,已经把现在大部分阿尔卑斯山原本流入隆河的河川纳入流域之中,包括阿勒河在内。从这个时候开始,莱茵河流域扩展到博登湖上游,而美因河的上游(施韦因富特之后)与孚日山脉(马士河)也已经成为莱茵河流域的一部份。冰河时期更新世是冰河期交错的时代,大约6个主要的冰河期在600,000年前开始。当时海平面下降120米,大陆大部分的边缘地区于是暴露出来。在更新世早期,莱茵河是往西北方向流动,注入现在的北海。在盎格鲁冰河期(Anglian glaciation)时期,现在北海的北部是被冰所覆盖,且透过这英格兰的运河形成大湖。使得莱茵河的源头透过这英格兰的运河转向。在冰河时期间,塞纳河的河口位于布雷斯特近海,所以泰晤士河及塞纳河皆是塞纳河支流。当海平面在间冰期大约回复到原先的高度时,莱茵河于是在现在的荷兰境内形成三角洲。最后一次冰河期从74,000年前持续到更新世结束。在欧洲西北部,有两个阶段非常寒冷,分别在70,000年前与29,000-24,000年前达到顶峰。第2个阶段稍微比最后一次冰河期极盛时期(Last Glacial Maximum)还早。在这时期,下莱茵河往西流,通过荷兰,延伸西南方通过英国运