遠賀川の周囲の山は、このころ珊瑚礁を造る浅い海で堆積した石灰岩などが、地殻変動などにより変成岩となったものに、中世代後半に貫入してきた花崗岩などが元となっている。
新生代古第三紀には、有明海方面に出口をもつ入江があらわれ、ここに海水が浸入したり、隆起して淡水になったりした。淡水の時代に流域に大森林帯ができ、この森林が埋没し、筑豊炭田の石炭となった。
今から100万年前から60万年前には、九州中部・北部で火山活動が盛んになりこの時英彦山ができた。 100万年前～約１万年前は氷河時代で、遠賀川の流れや地形の大部分はこの時期に形づくられたと言われている。