旧石器時代は氷河期の影響を受け、現在よりも寒冷であった。そのため、当時の海岸線は現在よりも沖合いにあり、現在は海底に沈んでいるため、海岸線での生活についてはほとんどわかっていない。内陸の生活については、東北地方でも富沢遺跡や金取遺跡などでわかるが、他のいくつかの前期旧石器時代の遺跡が旧石器捏造事件によって研究が振り出しに戻ってしまったため、現在検証作業中である。縄文時代には気候が温暖化して、東北地方も縄文中期には現在より暖かかったと考えられている。当時の採集・狩猟・漁労を中心とした生活では、西日本よりも東日本の方が生活に適しており、東北地方は関東地方や中央高地とともに縄文時代の遺跡が高密度に分布する地域として知られる。最も人口密度が低かった近畿地方・中国地方・四国地方と比べて、人口密度が最も高かった関東は30倍以上、東北も5倍〜10倍程度の人が住んでいたと見られている。そのため、1440年も続いた巨大集落である三内丸山遺跡などが存在し、栗栽培など原始的な縄文農耕も始まり、関東や中央高地などと共に縄文文化の中心を担った。縄文文化は縄文後期の寒冷化により衰退し、縄文末期には大陸から水田稲作が伝来し、北部九州や畿内など西日本を中心に弥生文化が発達する。東北においても比較的早い時期に弥生文化が伝播しており、水田稲作は弥生前期に伝来したと考えられているが、一般的には紀元前後と見られる弥生中期後半前後まで水稲農耕は完全に受容されたとはいえず、北部においては続縄文文化であったとする見方もある。また、南部においても稲作の放棄と続縄文文化の南下が見られる。古墳時代には畿内から古墳文化が到達し、東北地方でも古墳が造られた。古墳が集中している地域は仙台平野や会津地方・山形県内陸部などの東北地方南部となっている。また、奈良盆地に起源があるとみられる前方後円墳も造られ、ヤマト王権との交流がすでに始まっていたと考えられている。東北地方最大の前方後円墳は、宮城県名取市にある雷神山古墳である。宮城県北部・秋田県以北（山形県庄内地方が含まれるとする説もある）では末期古墳が分布する。なお、東北北部の青森県域では続縄文文化が持続し、古墳は小規模な終末期古墳に限られている。
畿内政権の律令制・中央集権体制下では、出羽国は越国（北陸道）の先にある沿岸国（船で到達できて畿内に近い）、陸奥国は東山道を徒歩で行くために、「道奥＝みちのおく（みちのく）」すなわち内陸国と見なされていた。そのため、現在のような測量された地図がなかった時代には、出羽は日本海沿岸の政治勢力の版図、陸奥は本州奥地の政治勢力の版図とされ、その境界は在地の政治勢力の盛衰にしたがって変化し、必ずしも奥羽山脈できれいに東西に分かれていたわけではない。蝦夷（俘囚）勢力が後退した鎌倉時代以降は、政権のある鎌倉からは陸奥国の方が近くなり、また、鎌倉と出羽国とは船での繋がりをもてなかったために出羽の沿岸国としての意味合いが薄れ、奥羽両国を一括して「奥州」とするようになった。奥州（東北地方）は、近畿地方の諸政権（平氏政権、室町幕府、豊臣政権）が支配した時代には、政権所在地からは遠いため、半独立的な政治勢力が生まれていた。しかし、関東地方の諸政権（鎌倉幕府、江戸幕府、明治政府）には近いため、政権への従属的傾向が強くなる。明治以降は、北海道や東京への移住で知識層である武士階級を大量に失い、野蒜築港が台風のために2年で閉港となったため、開港場が近くにない唯一の地方となって資本主義経済に乗り遅れた。また、地租改正が行われた明治初期までは、他の地方に比べて貨幣経済の浸透が遅れており、国内市場としての重要度も低かった。現在は人口も増え、高速道路の整備も進んだため、東北地方内における陸上交通の再編と経済圏の形成が進んでいる。一方で、人口の仙台都市圏への集中、その他の地域の過疎化も進んでいる。
青森や下北半島などの地方では、青函トンネルや津軽海峡フェリー、青函フェリーを通じて函館など北海道道南地方との繋がりが深い。青森と函館との間では「青函都市圏」構想が練られている。福島県中通りは、栃木県と隣接しており、自家用車による交流は盛んだが、鉄道を介した繋がりは浅い（→東北新幹線#概要、山形新幹線#需要、秋田新幹線#需要）。ただし、那須温泉郷や日光などの観光地への観光需要は大きく、東北地方と栃木県のタウン情報誌TJN加盟全9誌では、毎号見開き2頁の共通誌面を作っている。
山は、大陸移動（プレート移動）に伴う褶曲や断層運動、隆起、火山活動などの地理的要因により形成される。このうち最も大規模な山岳形成はプレート移動によってなされ、世界の2大造山帯であるアルプス・ヒマラヤ造山帯と環太平洋造山帯はいずれもプレート移動により形成されたものである。アルプス・ヒマラヤ造山帯に属するヒマラヤ山脈やアルプス山脈は、かつて2つの大陸プレートに挟まれた浅い海だったが、大陸プレート同士の衝突により地面が押し上げられて成立した。このような山の成立過程を造山運動と言う。ロシアのウラル山脈や北米東岸のアパラチア山脈は、ずっと以前の造山運動の痕跡である（造山運動終了後に浸食などで削られた）。環太平洋造山帯は太平洋プレートが各大陸プレートに沈み込みを起こして形成されるものであり、その名の通りアンデス山脈やロッキー山脈、日本列島など太平洋を取り囲むようにして大山脈が連続する形になっている。この2つの造山帯はいずれもプレート同士の衝突によって形成されるものだが、そのほかにプレートが生み出され広がりつづける発散型境界においても山脈が形成される。この発散型境界の多くは海底に存在し、海嶺と呼ばれることが多い。大西洋を南北に貫く大西洋中央海嶺などが代表例である。火山の多くはプレートの拡大もしくは収縮地点の側に存在し、そのため上記造山帯の付近にほとんどの火山が存在するものの、まれにプレート境界とは全く関係ない場所においてマグマが継続的に供給され火山が成立する場合がある。これはホットスポットと呼ばれ、ハワイ島のマウナケア山などが代表例である。このホットスポットはプレートの動きとは無関係であるため、プレートが移動してもその地点に山岳を形成し続ける。古い火山島はホットスポットから離れるにしたがって波や風、雨などによって浸食されていき、やがて海面下に没して海山となる。断層運動により断層面から見た一方が上昇又は下降することにより山が形成されることもあり、例としては日本の六甲山地や養老山地などがある。地殻変動に伴って地面が上昇する隆起により山が形成された例には、日本の北上山地、阿武隈高地などがある。火山活動を成因とする山は、富士山や阿蘇山のような活火山のほか、荒島岳のようにかつての火山が浸食されてできたものもある。上記のようにして形成された山は、またさまざまな理由によって次第に低くなっていく。山を形成している岩石は、山の厳しい気候や長い年月などによって風化していき、その積み重ねによって山は低くなっていく。また、浸食も山を低くしていく大きな要因の一つである。寒冷地や高山において形成される氷河は、山を侵食する大きな原因の一つである。より温暖な地方においては、河川が主な山体浸食の原因となる。このほか、風による風食も浸食の要因となるが、氷河や河川に比べればその役割は小さなものである。また、地すべりや崖崩れなどによってより急激に山体が変化することもある。