Grote delen van de Veluwe bestaan uit stuwwallen, die zo'n 150.000 jaar geleden ontstaan zijn in de voorlaatste ijstijd, het Saalien. Voorafgaand aan de ijsbedekking hadden grote rivieren daar dikke lagen zand en grind met dunnere lagen klei afgezet. Deze afzettingen zijn gevormd door de Rijn en Maas, maar ook door rivieren vanuit het oosten (onder andere door het zogenaamde eridanos riviersysteem). Toen in het Saalien, het ijs tot dit deel van Nederland oprukte werden deze rivierafzettingen opgestuwd in hoge stuwwallen, zoals op de Veluwe.
In het zuiden van de Veluwe, bij Schaarsbergen, ontstond aan de voorkant van het ijs een grote sandrvlakte door sediment uit het smeltwater. Op deze sandrs zijn ook zwerfkeien te vinden die meegespoeld zijn met het smeltwater uit de ijskap. Ten zuiden van Harderwijk en bij Nunspeet ontstond tussen het ijs en de gevormde stuwwallen een glaciaal meer, waar zandige en kleiige glaciolacustriene afzettingen gevormd waren.
In de laatste ijstijd (het Weichselien) kwamen de gletsjers niet tot in Nederland, maar was de bodem wel permanent bevroren (permafrost). Door de toen heersende harde winden werden lagen dekzand afgezet, met name aan de flanken van de Veluwe. Boven op de Veluwe vond erosie plaats in deze koude periode. Door de aanwezigheid van permafrost in het voorjaar kon smeltwater van de sneeuw niet makkelijk in de ondergrond infiltreren. Het gevolg was dat het water zich ging concentreren in stromen en de ondergrond ging eroderen waardoor de sneeuwsmeltwaterdalen (of droge dalen) gevormd werden.
Toen het klimaat warmer werd, in het Holoceen, raakte de Veluwe bebost, maar in de Middeleeuwen zorgde de mens voor ontbossing. Grootschalige boskap voor de ijzerindustrie die veel houtskool gebruikte, zorgde samen met intensieve landbouw ervoor dat de wind in de Middeleeuwen vat kreeg op de arme zandgronden. Hierdoor ontstonden grote zandverstuivingen en werden er stuifduinen gevormd. Hierdoor trok de bevolking weg van de Veluwe. Door de boskap is er geen oerbos bewaard gebleven.