Es ist bekannt, dass die Norddeutsche Tiefebene während des Pleistozäns durch die verschiedenen Gletschervorstöße der terrestrischen skandinavischen Eisschilde sowie durch periglaziale geomorphologische Prozesse entstanden ist. Das Gelände kann als Teil der Alt- oder Jungmoräne betrachtet werden, je nachdem, ob es von den Eisschilden der letzten Eiszeit, der Weichseleiszeit, gebildet wurde oder nicht. Das Oberflächenrelief variiert von eben bis hügelig. Die tiefsten Punkte sind Niedermoore und Altsümpfe am Rande des Landrückens im Westen Schleswig-Holsteins (die Wilstermarsch liegt 3,5 m unter dem Meeresspiegel) und im Nordwesten Niedersachsens (Freepsum, 2,3 m unter dem Meeresspiegel). Die höchsten Punkte können als Weichsel- und Hall-Eiszeit-Endmoränen bezeichnet werden (je nach Eiszeit, die sie gebildet hat) – z. B. auf der Fläming-Heide (200 m ü. NN) und den Helpt-Hügeln (179 m). Nach den Eiszeiten entstanden in West- und Nordniedersachsen während niederschlagsreicher Warmzeiten (unter dem Einfluss der mittelalterlichen Warmzeit) regengespeiste Hochmoore. Diese Moore waren früher weit verbreitet, aber ein Großteil dieses Geländes ist heute entwässert oder anderweitig verdrängt.
Die Küstengebiete bestehen aus holozänen See- und Flusssümpfen und Lagunen, die mit pleistozänen Alt- und Jungdriftböden in verschiedenen Stadien der Entstehung und Verwitterung verbunden sind. Nach oder während des Rückzugs der Gletscher bildete der vom Wind verfrachtete Sand häufig Dünen, die später durch die Vegetation befestigt wurden. Durch menschliche Eingriffe entstanden offene Heideflächen wie die Lüneburger Heide, und Maßnahmen wie die Abholzung von Wäldern und der so genannte Plaggenhieb (Abtragen des Oberbodens zur anderweitigen Verwendung als Dünger) führten zu einer weitgehenden Verarmung des Bodens (Podsol). Die fruchtbarsten Böden sind die jungen Moore (Auen-Vegen) und die Bördegebiete (Hildesheimer Börde, Magdeburger Börde, mit ihren fruchtbaren Lössböden). Hochmoortorf findet sich auf den ärmsten Böden, z.B. im Teufelsmoor. In den Lößgebieten der Niederung befinden sich die ältesten Siedlungsplätze Deutschlands (Bandkeramische Kultur).
Der nordöstliche Teil der Niederung (Junger Drift) ist geomorphologisch ausgeprägt und enthält eine Vielzahl von Seen (z.B. den Müritzsee in der Mecklenburgischen Seenplatte), die Überbleibsel der letzten Eiszeit sind. Die zurückweichenden Gletscher ließen diese Landschaft vor etwa 16.000 bis 13.000 Jahren zurück. Im Vergleich dazu sind die Trockenebenen Nordwestdeutschlands (Niedersachsen, das westliche Schleswig-Holstein und der Bochumer Raum in Nordrhein-Westfalen) stärker verwittert und eingeebnet (Altdrift), da hier die letzten großflächigen Vergletscherungen vor mindestens 130.000 Jahren stattfanden.
Die Region wird von Flüssen entwässert, die nach Norden in die Nord- oder Ostsee münden. Rhein, Ems, Weser, Elbe und Havel sind die wichtigsten Flüsse, die das Norddeutsche Tiefland in die Nordsee entwässern und in ihren Auen und Falten Wälder, z.B. den Spreewald, geschaffen haben. Nur ein kleiner Teil der Norddeutschen Tiefebene liegt im Einzugsgebiet der Flüsse Oder und Neiße, die in die Ostsee entwässern.