Wiadomo, że Nizina Północnoniemiecka powstała w epoce plejstocenu w wyniku różnych zlodowaceń lądolodu skandynawskiego, a także w wyniku peryglacjalnych procesów geomorfologicznych. Teren można zaliczyć do Starego lub Młodego Dryasu (Alt- lub Jungmoräne), w zależności od tego, czy został on ukształtowany przez lądolody ostatniego okresu lodowcowego, zlodowacenia weichselskiego, czy też nie. Rzeźba powierzchni jest zróżnicowana od poziomej po falistą. Najniżej położone są torfowiska niskie i stare mokradła na skraju grzbietu suchego lądu w zachodniej części Szlezwika-Holsztynu (bagno Wilster leży 3,5 m poniżej poziomu morza) i w północno-zachodniej części Dolnej Saksonii (Freepsum, 2,3 m poniżej poziomu morza). Najwyżej położone punkty mogą być określane jako moreny czołowe zlodowacenia Wisły i Hall (w zależności od epoki lodowcowej, która je utworzyła) – np. na wrzosowisku Fläming (200 m n.p.m.) i na Wzgórzach Helpta (179 m n.p.m.). Po epokach lodowcowych w zachodniej i północnej Dolnej Saksonii w ciepłych okresach o dużej ilości opadów (pod wpływem średniowiecznego okresu ciepłego) powstały zasilane deszczem torfowiska wysokie. Torfowiska te były dawniej szeroko rozpowszechnione, ale duża część tego terenu została obecnie osuszona lub w inny sposób wyparta.
Obszary przybrzeżne składają się z holoceńskich jezior i bagien rzecznych oraz lagun połączonych z plejstoceńskimi terenami staro- i młodoglacjalnymi w różnych stadiach formowania się i wietrzenia. Po lub w trakcie cofania się lodowców, piasek niesiony wiatrem często tworzył wydmy, które były później utrwalane przez roślinność. Ingerencja człowieka doprowadziła do powstania otwartych wrzosowisk, takich jak Wrzosowiska Lüneburskie, a działania takie jak wylesianie i tzw. Plaggenhieb (usuwanie wierzchniej warstwy gleby w celu wykorzystania jej w innych miejscach jako nawóz) spowodowały znaczne zubożenie gleby (Podsol). Najbardziej żyznymi glebami są młode bagna (Auen-Vegen) oraz obszary Börde (Hildesheim Börde, Magdeburg Börde, z ich żyznymi, lessowymi glebami). Na najuboższych glebach, np. w Teufelsmoor, można znaleźć torf wysoki. Na lessowych obszarach niziny znajdują się najstarsze miejsca osadnictwa w Niemczech (kultura ceramiki linearnej).
Północno-wschodnia część równiny (Młody Dryf) jest geomorfologicznie odrębna i zawiera liczne jeziora (np. jezioro Mueritz na Pojezierzu Meklemburskim), które są pozostałością po ostatnim zlodowaceniu. Cofające się lodowce pozostawiły ten krajobraz około 16.000 do 13.000 lat temu. Dla porównania suche równiny północno-zachodnich Niemiec (Dolna Saksonia, zachodni Szlezwik-Holsztyn i okolice Bochum w Nadrenii Północnej-Westfalii) są silniej zwietrzałe i zniwelowane (Old Drift), ponieważ ostatnie duże zlodowacenia miały tu miejsce co najmniej 130 000 lat temu.
Region jest osuszany przez rzeki, które płyną na północ do Morza Północnego lub Bałtyku. Ren, Ems, Wezera, Łaba i Hawela są najważniejszymi rzekami, które osuszają Nizinę Północnoniemiecką do Morza Północnego i stworzyły lasy na ich równinach zalewowych i fałdach, np. Spreewald („Spree Forest”). Tylko niewielka część Niziny Północnoniemieckiej leży w dorzeczu Odry i Nysy, które wpadają do Bałtyku.
.