石神井川
不忍池の南東側は、かつて隅田川の自然堤防と本郷台地に挟まれた後背湿地で、浅草の北側から長く伸びていた千束池や、鳥越の北にあった姫ヶ池など葦が生える水はけの悪い沼田地だった。一帯は江戸初期から整地が始まり、浅草御蔵を造る際に鳥越神社の丘を崩してこれらの沼地を埋め立て、旗本・御家人の武家屋敷を整備した。吉原遊廓を新吉原に移転させたのもこの頃である。しかし変わらず水はけは悪く、不忍池からの通水は「忍川」と呼ばれて屋敷の周囲に掘を囲みながら東へ流していた。鳥越神社の南側からは「鳥越川」と名を変え、途中で浅草方面からの流れていた新堀川(現在は暗渠化しており合羽橋はその架橋)と合流させて隅田川へ流している。途中の秋田久保田藩佐竹氏の江戸屋敷前(現在の佐竹商店街の南側入り口付近)にはかつて大きな堀があり、「三味線堀」と呼ばれていた。
石神井川の上流から王子付近まで続く谷底低地は飛鳥山の手前で南へ向きを変え、本郷台と上野台の間の谷田川が流れる谷底低地へと地形的に連続している。これらのことから、石神井川がかつては谷田川へと流路を取っていたが、河川争奪によって現在のように隅田川へ流れるようになったとする説が、戦前は地形学者の東木龍七、戦後は地形学者の貝塚爽平などによって唱えられていた。流路変遷が起こった原因と時期については諸説ある。
縄文時代の河川争奪説
1976年、東京都土木技術研究所の中山俊雄らはボーリング調査による石神井川と谷田川沿いの地質断面図を作成し、石神井川の流路変遷を論じた。彼らは、谷田川から不忍池を経て昭和通りにいたる地下に基底が-20mに達する埋没谷が存在すること、石神井川下流の王子から隅田川合流までの地下に埋没谷が存在しないこと、流域の小さい谷田川のみで昭和通り谷が形成されたとは考えがたいことを指摘。昭和通り谷の形成時期に谷田川がその上流で石神井川でつながっており、これが石神井川の本流であったと結論づけた。また、立川ローム層を鍵層とした江古田層との対比より、石神井川の王子より上流の河谷底に堆積する泥炭層をサブボレアル期(4500 - 2500年前)のものとし、音無渓谷がこの泥炭層を開析しているように見えることから、渓谷の形成時期をサブボレアル期以後とした。