大约距今1亿3千万年前，印度板块与亚欧板块发生强烈碰撞，青藏高原受力缓缓抬升，而黄土高原发生断裂下陷，向东而去的众多河流，汇聚于此，形成一个巨大的湖泊——庆阳湖。1978年5月，在庆城县三十里铺的环江东岸，出土了环江翼龙，是中国发现的最早﹑个体最大的翼手龙类翼龙。翼龙形似蝙蝠，身无羽毛，靠着光滑无毛﹑而有指皱翼膜的两个大翅膀，不能做远距离飞行，只能在海边湖边滑行，以捕捞小鱼为食，证明了庆阳湖的存在。由此推论，那时候的庆阳，气候温暖湿润﹑茂密的森林密布﹑广袤丰饶的大地上，生活着各种体型庞大的动物。1973年1月20日，合水县板桥乡马莲河电站工地上，车水马龙﹑人山人海，在工地南侧叫着走马梁的半山腰上，民工发现了两枚粗壮的龙骨，随后，这一信息层层上报至甘肃省博物馆和中国科学院。1973年4月5日，考古人员开始挖掘，一直到6月17日，经过43天小心谨慎的挖掘，一具完整的大象化石重见天日，古象体长8米﹑身高4米﹑门齿长3米，个体之大﹑世代之早﹑保存之好﹑是迄今为止，世界上唯一的发现。因古象化石出土于黄河流域，故命名为黄河象。

随着地壳的运动，从西北内陆不断飞来的沙尘，降落在庆阳湖，经过长达两千多万年的堆积，形成了黄土高原，其中最出名的是白鹿塬，面积最大的是董志塬，民间谚语:八百里秦川，不如董志塬边。

1919年，法国地质学家﹑传教士桑志华来到陇东考察，幸家沟一带的农民经常在黄土里发现各种古生物化石，因为具有消炎﹑止疼﹑镇静的功能，他们称之为龙骨，他们将挖掘的龙骨，卖给中药铺子。1920年5月30日，桑志华住宿在华池柳林三十里铺教堂，当地的传教士给他两枚牙齿化石，采集地点正是幸家沟。桑志华随即雇佣民工挖掘，6月4日，发现了一块石英石，形如金字塔，高四五厘米，有明显的人工打砸的痕迹，是一件史前时期人类留下的文化遗物，它就是中国出土最早的第一件旧石器，距今约1.8万年。这一发现，彻底打破了国外考古学家认为中国北方黄土层，没有旧石器时代文化遗迹的判断。随后，桑志华又在华池县采集到三趾马等动物群化石。

20万年以前，人类就在这里繁衍生息，7千多年以前，就有了早期的农耕，人类始祖轩辕皇帝在此与中医鼻祖岐伯论医，因而有«黄帝内经»，岐黄故里之称；周先祖不窋率族人奔戎狄之间，与其子鞠陶﹑孙公刘等教民稼穑，务耕种﹑行地宜，开启了先周农耕文化之先河，司马迁«史记»称，周道之兴自此始。夏商时，庆阳称为鬼方，为周先祖公刘邑地；西周时称北豳，春秋战国时为戎狄之地，隶属义渠戎国；隋开皇十六年，置庆州，隋炀帝时改为弘化郡；唐初又改为庆州，后改为安化郡顺化郡；北宋政和年间，首次取名庆阳，后设环庆路，又设庆阳军节度使，庆阳之名，方见于史册。北宋范仲淹曾任环庆路招讨使，与其子驻守庆阳，筑城练兵﹑保境安民。