黃土高原原生黃土是第四紀冰期乾冷氣候條件下的風塵堆積物，次生黃土是原生黃土經洪積、沖積改造而成的。在第四紀黃土堆積時期，隨著冰期、間冰期的氣候旋迥，黃土地層呈現黃土與古土壤的更替變化。根據黃土中的古土壤，黃土地層自下而上可以分為午城黃土、離石黃上、馬蘭黃土和全新世黃土。按洛川黑木溝黃土剖面，第十五層黃土下介面之下為早更新世午城黃土。第一古土壤上介面之下至第十五層黃土下介面之間為中更新離石黃土。第一黃土層是形成於晚更新世的馬蘭黃土。馬蘭黃土之上的黑滬土為形成於全新世的古土壤層。黃土高原黃土地層的分佈厚度在六盤山與呂梁山之間一般為150-250米，六盤山以西一般在100米以內。不同地層黃土厚度也不相同：午城黃土厚度不大，洛川黑木溝為58米，山西午城為17.5米。離石黃土是黃土高原黃土地層的主體，一般厚度100-150米，最大厚度分佈在徑河與洛河的中游地區。馬蘭黃土分佈極為廣泛，一般厚度10-30米，天水附近小於10米，董志源9.6米，洛川源10米左右。全新世黃土厚度-般為2-3米，其中的黑滬土層厚度1-2米。擴充套件資料：黃土的結構構造：黃土普遍具有發育良好的管狀孔隙，孔徑大者達0.5～1 cm，孔內大都填充有不同數量的碳酸鹽，部分孔隙幾乎全部被碳酸鹽充填黃土的孔隙度較高，一般為33%～64%。經驗證明，黃土的多孔性是黃土溼陷性的基本原因。黃土中垂直節理的產生，一方面由於在重力作用下黃土內部在鉛直方向上受張應力的作用，另一方面黃土中又有著眾多的鉛直孔隙，削弱了水平方向的合力，因而沿鉛直方向易產生裂隙。在黃土區的邊坡部位，經常沿節理面發生崩塌，形成峭壁，有時至產生大規模的滑坡。黃土不具層理，黃土的粒度在垂直剖面上雖然有粗細變化，但這樣的變化並沒引起明顯的成層交替的現象，與一般層理不同。黃土狀土孔隙較黃土少，但層理很清晰。

黃土高原的成因有三種說法：風成說、水成說、風化殘積說，其中以風成說影響最大，這種理論認為黃土是從黃土高原的西北部“吹”來的，堆積成高原。

以下是關於風成說的詳細解釋：

印度板塊向北移動與亞歐板塊碰撞之後，印度大陸的地殼插入亞洲大陸的地殼之下，並把後者頂托起來。從而喜馬拉雅地區的淺海消失了，喜馬拉雅山開始形成並漸升漸高，青藏高原也被印度板塊的擠壓作用隆升起來。這個過程持續6000多萬年以後，到了距今大約240萬年前，青藏高原已有2000多米高了。

地表形態的巨大變化直接改變了大氣環流的格局。在此之前，中國大陸的東邊是太平洋，北邊的西伯利亞地區和南邊喜馬拉雅地區分別被淺海佔據著，西邊的地中海在當時也遠遠伸入亞洲中部，所以平坦的中國大陸大部分都能得到充足的海洋暖溼氣流的滋潤，氣候溫暖而潮溼。中國西北部和中亞內陸大部分為亞熱帶地區，並沒有出現大範圍的沙漠和戈壁。

然而東西走向的喜馬拉雅山擋住了印度洋暖溼氣團的向北移動，久而久之，中國的西北部地區越來越乾旱，漸漸形成了大面積的沙漠和戈壁。這裡就是堆積起了黃土高原的那些沙塵的發源地。體積巨大的青藏高原正好聳立在北半球的西風帶中，240萬年以來，它的高度不斷增長著。青藏高原的寬度約佔西風帶的三分之一，把西風帶的近地面層分為南北兩支。南支沿喜馬拉雅山南側向東流動，北支從青藏高原的東北邊緣開始向東流動，這支高空氣流常年存在於3500—7000米的高空，成為搬運沙塵的主要動力。與此同時，由於青藏高原隆起，東亞季風也被加強了，從西北吹向東南的冬季風與西風急流一起，在中國北方製造了一個黃土高原。

在中國西北部和中亞內陸的沙漠和戈壁上，由於氣溫的冷熱劇變，這裡的岩石比別處能更快地崩裂瓦解，成為碎屑，地質學家按直徑大小依次把它們分成：礫(大於2毫米)，沙(2—0.05毫米)，粉沙(0.05—0.005毫米)，黏土(小於0.005毫米)。黏土和粉沙顆粒，能被帶到3500米以上的高空，進入西風帶，被西風急流向東南方向搬運，直至黃河中下游一帶才逐漸飄落下來。

二三百萬年以來，亞洲的這片地區從西北向東南搬運沙土的過程從來沒有停止過，沙土大量下落的地區正好是黃土高原所在的地區，連五臺山、太行山等華北許多山的頂上都有黃土堆積。當然，中國北部包括黃河在內的幾條大河以及數不清的溝谷對地表的沖刷作用與黃土的堆積作用正好相反，否則的話，黃土高原一定不會是現在這樣，厚度不超過409.93米。太行山以東的華北平原也是沙土的沉降區，但是這裡是一個不斷下沉的區域，同時又發育了眾多河流，所以落下來的沙子要麼被河流沖走，要麼就被河流所帶來的泥沙埋葬了。

中國古籍裡有上百處關於“雨土”、“雨黃土”、“雨黃沙”、“雨霾”的記錄，最早的“雨土”記錄可以追溯到公元前1150年：天空黃霧四塞，沙土從天而降如雨。這裡記錄的其實就是沙塵暴。

雨土的地點主要在黃土高原及其附近。古人把這類事情看成是奇異的災變現象，相信這是“天人感應”的一種徵兆。晉代張華編的博物志中就記有:“夏桀之時，為長夜宮於深谷之中，男女雜處，十旬不出聽政，天乃大風揚沙，一夕填此空谷。”

1966—1999年間，發生在中國的持續兩天以上的沙塵暴竟達60次。中科院劉東生院士認為，黃土高原應該說是沙塵暴的一個實驗室，這個實驗室積累了過去幾百萬年以來沙塵暴的記錄。中國西北部沙漠和戈壁的風沙漫天漫地灑過來，每年都要在黃土高原上留下一層薄薄的黃土。