地质研究表明，河西走廊的形成时间约在2亿多年前。在缓慢的地壳运动中，河西走廊周边的祁连山、天山和昆仑山渐渐隆起。
约在8000万年前，经过两次天崩地裂的造山运动，出现了许多奇峰怪岭。此时，古地中海的暖流吹拂着河西走廊大地，这里四季如春，植物茂密，呈现着一派生机盎然的景象。
大约到了4000万年前，由于另一座巨峰——喜马拉雅山的缓缓隆起。喜马拉雅山的运动，带动了祁连山的大幅度隆升，使河西走廊一带接受了大量新生代以来的洪积物和冲积物。这一变化所带来的严重后果在于，印度洋暖流的通道被喜马拉雅巨大的山体所阻隔，使海洋暖湿气流无法到达这里。而来自北极的寒流却肆虐而下，横扫千里。由此，使整个河西走廊的气候趋于恶化，生态环境变得十分脆弱。
已发现的马家窑文化、齐家文化、四坝文化和火烧沟文化等古文化遗址表明，距今约5000年前河西走廊就有人类活动。
从新石器时代晚期遗址看，约在4000年前这里的居民已进入农耕文明时代。
在河西走廊历史上，建置的出现是在汉元狩二年（前121年），从设立酒泉、武威二郡开始，后来又增设张掖、敦煌二郡，统称为“河西四郡”。据《汉书》卷二十八《地理志》记载，西汉时武威、张掖各辖10县，酒泉辖9县，敦煌辖6县，共计35县。
汉武帝元狩二年（前121年），汉武帝派骠骑将军霍去病一举击败匈奴，建立河西四郡之后，汉王朝将这里作为向西发展的根据地，通过推行“移民实边”“徙民屯垦”等政策，加强对河西走廊的控制和经营。经过本地各族民众与中原移民的艰辛努力，河西走廊在发展绿洲农业和畜牧业方面取得了显著成效。与此同时，将秦长城从临洮修到了敦煌以西，并在阳关和玉门关设立了两个军事关隘，作为通往西域的门户。为强化统一管理，汉在这里实行军事屯田，推行军农结合的管理体制。在中国历史上，河西四郡的建立对丝绸之路的畅通，对中西经济文化的交流产生了重要影响。