流经太行山区的永定河段
永定河上游的山西和内蒙古地带，处在太行山、阴山和燕山山脉之间。海拔1500米的黄土高原，植被稀疏、地形陡峭，气候条件十分恶劣，形成了十分广阔的产沙区，严重的土壤沙漠化成为永定河流泥沙含量大的来源。每到7-8月份汛期，河水自燕山峡谷急泄而下，穿越两岸林立的峭壁，以320:1的落差和5200立方米/秒的流量，使上游流入的大量泥沙在这里积聚，每年3120万吨的含泥量，让河水变浑。因此，永定河在元代曾被称为“小黄河”和“浑河”。由于洪水泛滥，河道经常改变迁徙无常，因此永定河又俗称“无定河”。辽以后，永定河自石景山南进入丰台地区，流经东河沿、刘庄子、卢沟桥后，由北天堂流入大兴区内，形成现代永定河道走向。清康熙三十七年（1698）年，清廷疏浚河道，加固岸堤，永定河才由“无定河”改为现名。
官厅山峡及下游上段是永定河北京段，流经门头沟、石景山、丰台、房山和大兴五个区。从官厅水库至门头沟三家店，河流长度108.7千米，平均海拔500～100米，短距离内落差，从450米降至100米。山高谷深，坡度变化明显，水流湍急。下游从三家店出山，入京津平原到渤海口，形成古道洪积扇和冲积扇两种扇面，海拔在25～100米之内，在近80千米的流程中，流速相对平缓，泥沙大量沉积，使河床高于地面，造成历史上多次岸堤决口，泛滥成灾，是国务院1985年确定的全国四大防汛重点河流之一。
流出北京西山的永定河
在地质历史上，永定河地区原是几片没有形成河流的孤立水系。延庆古湖和北京古湖形成后，又经过漫长的地质时期，这些分散的水系才连成河流，逐步形成现在的永定河。2004年，北京市地质人员在永定河冲积扇底部岩石中发现普遍含有卵石现象，经研究这些卵石形成于距今约300万年前的新生代新近纪，是最早的沉积物，被推测为永定河的形成时间。
西部山地的形成
永定河上有一条极大的断裂带，它是我国地质学家最早发现和研究的断裂带，被称为“永定河断裂”，它奠定了北京西部山地的地貌地形格局的基本构架。
地质资料成果显示，这条断裂形成于侏罗纪。燕山运动到早期的地壳运动，使流经军庄—三家店—石景山一线的永定河河道产生了一条北西向断裂，河道两侧构造线断断续续，九龙山—香峪大梁向斜在军庄以南的轴迹被左行错开了1000米左右，截然地将北京西部山地与平原分成两种不同的地貌形态，成为北京城市形成前的基本条件。
永定河峡谷——河北幽州至北京沿河城段
永定河北京段山峡全长100多千米，新构造运动隆升使永定河山峡形成8级阶地。永定河依次流经幽州背斜、沿河城断裂、青白口穹窿、庙安岭向斜、下苇甸穹窿、九龙山向斜和永定河断裂等地质构造单元。从北京西山，沿断裂流动，穿过石灰岩——军庄石灰岩地带，进入北京平原。永定河弯弯曲曲，时起时伏的河流地质再造作用勾勒出了北京城西部的边界，河流蜿蜒、名峰争秀的地貌景观，成为北京现代都市的组成部分。
永定河上的“北京湾”
永定河水顺流而下，从西北到东南，形成了一湾半封闭状态的海湾，这个海湾被称为“北京湾”。从地质时代开始，随着永定河上游流下来的泥沙不断增加，在原来低洼的盆地里积沙成原，将北京湾填充成了辽阔的北京平原，这才有了后来北京城的诞生。
采取生态补水后的永定河新貌
北京平原位于华北平原的西北侧，西靠西山，北依军都山。东南与华北平原相连，面积约6210平方千米，约占北京市总面积的40%。永定河水携带的来自山西、甘肃和陕西黄土高原的泥沙，最先在永定河清水河支流流域的斋堂盆地积聚，它是北京平原的雏形。
长期的构造运动过程，将河流搬运下来的碎砂磨砺成土，在冲积扇和洪积扇环境下，逐步积累成平原。北京平原上的黄土由于致密性、吸水性、黏连性和直立性很强，受到河水冲击后，不但没有溃散，反而使它们的凝聚力在水的作用下越来越强，从而使北京平原越来越大，一些以黄土为原料的建筑物开始出现，北京先民在这里繁衍生息，形成了北京城廓最原始的状态。
北京平原沉积中心的黄土，主要是新生界的堆积物，沿永定河流水作用方向，从上游到下游形成西北高、东南低的地形地势和山前冲积扇，中部洪积平原和东南部冲积平原地貌，是典型的山前、平原两种地貌组合的特征。北京平原的北面和西面被燕山山脉和太行山脉合围成一个弧形围屏，只有正南向一面为平原，从地形上构成了一个半封闭状态的“海湾”，被人们称为“北京湾”。
中生代以来，北京平原地区一直在下沉。从西北到东南，沿永定河水流向，越往下游，下沉幅度越大，这种不均匀的下沉过程，使北京平原地区在古近纪—新近纪时期，形成“两隆一凹”的地形构造格局和一系列新型构造。北京地区地质地貌出现了界限明显的山地地貌和平原地貌两种形态，而这条明显的界限，就是永定河水的地质作用勾勒出来的。
永定河水的地质作用，造就了西部山地群峰连绵、河流蜿蜒、花岗峭立、洞穴幽深的自然风景地貌，同时也使平原部分湖波荡漾，花草芬芳，为后来皇家园林的形成，提供丰厚的自然环境。地质历史时期永定河的四沟八壑，是北京城市形成的前提，永定河水系宽阔的水面，是北京漕运和海运的发源地，千帆竞发、百舸争流的水面交通，把北京西部山地和东南部平原连成一体。
