Die ältesten Relikte zeigen sich in den Gesteinsschichten des Devon, die im Naturschutzgebiet Hubbelrather Bachtal zutage treten. Düsseldorf lag zu dieser Zeit noch südlich des Äquators und wurde erst danach durch die Kontinentaldrift in seine heutige Lage verfrachtet.
Die nächsten Hinterlassenschaften stammen von einem Vorläufer der Nordsee. Es sind die rund 25 Millionen Jahre alten gelben Sande, aus denen die Höhen des Grafenberger und Aaper Waldes aufgebaut sind. Sie sind heute an vielen Stellen leicht zu erkennen, vor allem aber am ehemaligen Glassandbruch in Gerresheim.
Die doch deutlichen Höhenunterschiede zwischen den östlichen Stadtteilen jenseits des Staufenplatzes und dem flacheren Gebieten entlang des Rheins entstanden vor rund 500.000 Jahren. Zu dieser Zeit hob sich das gesamte Rheinische Schiefergebirge empor und wurde erst ab diesem Zeitpunkt zu einem Mittelgebirge. Das Gebiet der heutigen Niederrheinische Bucht, an dessen Rand sich Düsseldorf jetzt befindet, blieb gegenüber dieser Hebung zurück.
Seit dieser Zeit muss sich der Rhein mit einem viel engeren Bereich begnügen, denn zuvor erstreckten sich seine verzweigten Seitenarme bis weit nach Osten. Seine Hinterlassenschaften findet man als Flusskiesel überall auf den dortigen Höhen.
Während der Eiszeiten schuf der Rhein mehrere Terassenniveaus, wobei der größte Teil der Stadt auf der Niederterasse liegt. Der Übergang der aus der letzten Eiszeit stammenden Niederterrasse gegenüber der um einige Meter tiefer liegenden Rheinaue ist als markante Geländestufe sichtbar – beispielsweise im Naturschutzgebiet Urdenbacher Kämpe und im Himmelgeister Rheinbogen.
In der ausklingenden letzten Eiszeit entstanden die Schwemmsandflächen im Norden der Stadt, die teilweise heute ebenfalls als Naturdenkmal erhalten sind. Die Hochflutmulden in den Auebereichen des Rheins sind nun die jüngsten Zeugnisse der erdgeschichtlichen Entwicklung.
