Das Relief des gesamten norddeutschen Tieflandes wurde entscheidend von den Eismassen des Inlandeises geprägt, das in den Eiszeiten aus Skandinavien kam und bis zum Mittelgebirgsrand vordrang. Am Eisrand wurden Endmoränen abgelagert, die noch heute als Endmoränenzüge in der Landschaft sichtbar sind. Grundmoränen von bis zu 100 m Mächtigkeit bedecken heute den norddeutschen Raum. Nur an wenigen Stellen, z.B. auf Helgoland und Sylt, treten Schichtgesteine des Untergrundes an die Oberfläche.

Man unterscheidet zwischen Alt- und Jungmoränenland. Das Altmoränenland wird auch als Geest bezeichnet. Es hat eine geebnete Oberfläche, da es im Periglazial der letzten Eiszeit befand. Das Jungmoränenland wiederum ist stärker reliefiert, denn es lag in der letzten Eiszeit unter dem Eispanzer, es wurden hier also jüngere Moränen abgelagert.

In Norddeutschland unterscheidet man drei Eiszeiten: Elster, Saale und Weichsel und zwei Zwischeneiszeiten: Holstein-Warmzeit (zwischen Elster und Saale) und Eem-Warmzeit (zwischen Saale und Weichsel). Wegen der Bindung großer Wassermassen im Gletschereis lag der Meeresspiegel niedriger als heute. Das Absenken des Meeresspiegels wird als Regression bezeichnet. Zur Zeit des Höchststandes der Weichsel-Vereisung (vor etwa 10000 Jahren) lag der Meeresspiegel etwa 100 m niedriger und damit war der größte Teil der Nordsee landfest. In den Warmzeiten zwischen den Eiszeiten kam es jeweils zum Meeresspiegelanstieg (Transgression). In der Holsteinwarmzeit drang das Meer zum Teil weit ins Landesinnere vor. Marine Sedimente, z.B. bei Hamburg, zeugen davon.

Mit dem Abschmelzen der Eismassen in der Spät- und Nacheiszeit stieg der Meeresspiegel wieder an. Zunächst geschah dies in der sog. Litorina-Transgression mit durchschnittlich 50 cm Anstieg pro Jahrhundert (bis 2500 v. Chr.) relativ schnell. In den folgenden 3500 Jahren erfolgte die Dünkirchen-Transgression mit einem Anstieg von etwa 15 cm pro Jahrhundert. Gegen Ende der ersten Transgression befand sich die Nordsee-Küstenlinie bereits am Geestrand. Mehrere Geestinseln wurden zerstört, nur Sylt, Amrum und Föhr halten dem einige tausend Jahre dauernden Angriff stand.