L'attuale paesaggio del Bacino del Metauro è che il risultato di eventi geologici e climatici che si sono alternati soprattutto durante l'ultimo periodo geologico, il Quaternario. Precedentemente esisteva un bacino marino che si è evoluto in modo complesso nel tempo.

L'evoluzione del paesaggio inizia con l'emersione dell'area dal mare. L'età di questa emersione non è sincrona in tutta l'area a causa del sollevamento che si è attuato procedendo da sud-ovest a nord-est. La definitiva emersione dell'area del bacino del Metauro avviene nel Pliocene superiore-Quaternario. In realtà già nel Miocene superiore alcune porzioni della catena si trovarono in condizioni di continentalità ma ci sono rimaste poche testimonianze di questo paesaggio primitivo. Poco si sa anche del reticolo idrografico che si impostò subito dopo l'emersione. Gli attuali bacini (Conca, Foglia, Metauro e Cesano) si sono formati più tardi, probabilmente nel Pleistocene medio (circa 700.000 anni fa), prima dell'inizio dei grandi cambiamenti climatici (glaciazioni) che porteranno profonde ed inconfondibili modificazioni nel paesaggio. Probabilmente è da ricondurre a questo periodo la formazione del reticolo trasversale alle strutture geologiche e alla formazione delle gole fluviali come per esempio quella del Furlo.

Le espressioni più significative della ciclicità delle variazioni climatiche che si sono succedute nel Quaternario recente sono i terrazzi fluviali, presenti in tutta l'area lungo i versanti delle principali valli. Si riconoscono quattro ordini di terrazzi, legati alle maggiori oscillazioni climatiche quaternarie. La piana terrazzata più estesa rappresenta l'antico fondovalle dell'ultimo glaciale e del periodo immediatamente successivo. Su di essa sorgono alcuni fra i maggiori centri abitati del territorio provinciale (Pesaro, Fano, Fossombrone) e si snodano le principali vie di comunicazione (Flaminia). Al termine dell'ultimo glaciale, con il ritorno a condizioni temperate, i fiumi hanno iniziato a erodere i depositi e le forme glaciali del Pleistocene superiore. Verso monte, le diverse condizioni idrodinamiche e morfologiche hanno invece portato alla formazione di estesi depositi pedemontani chiamati "conoidi alluvionali".

L'evoluzione dei paesaggio nel bacino del Metauro è certamente condizionata dalla zona di foce in quanto le variazioni della linea di costa producono cambiamenti nell'intero sistema fluviale. L'ultima fase glaciale, terminata circa 15.000 anni fa, ha provocato un abbassamento del livello dei mari di 100-120 m rispetto all'attuale. La costa adriatica era ubicata circa all'altezza di Pescara e delimitava una vasta pianura alluvionale, percorsa dal Po e dai suoi affluenti tra cui vi erano i corsi d'acqua veneti, romagnoli e marchigiani. Successivamente il mare ha cominciato la sua risalita e i promontori che si protendevano nettamente verso mare (S. Bartolo, M. Ardizio, M. Conero) sono stati sottoposti ad attiva erosione marina. In corrispondenza delle valli il mare poteva facilmente spingersi all'interno, cosicchè al termine del processo (circa 5.000 anni fa) si era formata una costa assai più irregolare dell'attuale, con marcate sporgenze e insenature. Recenti ricerche dimostrano che ancora nella fase romana (2.000 anni fa circa) la morfologia della costa nord-marchigiana era più articolata. Niente da meravigliarsi quindi se si trovano porti romani sepolti all'interno delle attuali piane fluviali e, al contrario, davanti ai promontori e ai rilievi, costruzioni sommerse.