不同时代的黄土，其分布范围不一样。早更新世午城黄土分布范围最小，主要堆积在低洼和微倾斜的地点，因此仅见于河谷及大沟谷底部，有的地方这类黄土已变成坚硬的“石质黄土”。中更新世离石黄土堆积侵蚀轮回期较长，所以堆积的厚度和范围都较午城黄土大，由于其埋藏土层都有倾向沟心者，表明了离石黄土堆积时期，这些沟谷都已存在。晚更新世马兰黄土分布最广，它超覆在所有第四纪松散沉积物之上，因离石黄土堆积以后，陕西黄土高原的地形轮廓已接近现在，所以马兰黄土迭加积的特点是在地势平绥的低洼处和梁峁区的厚度大，但它的厚度都低于午城和离石黄土，一般厚10～30米。全新世黄土包括黑垆土在内，厚2～3米。以洛川原黄土地层为例，黄土地层总厚度220米。其中午城黄土厚58米，离石黄土厚150米，马兰黄土厚10米，全新世黄土厚数十厘米到1～2米(包括黑垆土)。全区各地黄土层厚度与洛川原黄土比较见图2.2。
图2.2 陕西黄土高原土地层柱状剖面对比图
陕西黄土高原除了连片的、厚层的黄土将下伏古地形全面掩盖外，还有如象渭北山地、黄龙山、子午岭、白于山等基岩山地，或者顶部被薄层黄土覆盖的所谓“石山土带帽”山地，它们不论在黄土堆积以前，或者黄土堆积以后，都是陕西黄土高原的正地形骨架(图2.3和图2.4)。
各地的黄土层厚度和现代地貌受下伏原始地面起伏的制约，原始地面低洼处黄土堆积厚，高起处变薄；古地形为盆地的黄土厚度大，丘陵起伏地区薄。北部无定河、窟野河、佳芦河、延河、洛河上游等流域地区的下伏古地貌为丘陵起伏，上面覆盖黄土厚度几十米至百余米，现代黄土地貌为梁、峁、涧等类型。泾河及洛河中游等流域地区古地形为宽浅开阔盆地，黄土堆积厚度为100～250米，现代地貌类型为黄土塬或长平梁。如洛川塬黄土之下的白垩纪洛河组砂岩地层组成的古地形面虽有起伏，但倾角只有3度左右，为向一个方向倾斜的准平原(图2.5)，故黄土堆积厚，现代地貌为黄土塬。北山以南的古地形为河谷阶地，黄土堆积数十米至百余米不等，现代地貌为渭河阶地平原及黄土台塬，即八百里秦川。
图2.5 洛川塬黄土下伏基岩面等高线图
第四纪全球性的气候变化，使陕西黄土高原也经历了冰期和间冰期的影响。李四光等研究了中国东部第四纪冰川遗迹之后，将我国该时期的冰川活动划分为鄱阳、大姑、庐山、大理四个冰期，冰期之间称为间冰期，最末一个冰期之后叫冰后期。黄河中游黄土高原也先后发现第四纪冰川遗迹，认为在蓝田县公王岭冰川遗迹，称为公王岭冰期，与鄱阳冰期相应；河南三门峡水沟冰川遗迹，命名为水沟冰期，与大姑冰期相应；渭南北庄村冰川遗迹，命名为北庄村冰期，与庐山冰期相应；太白山冰川遗迹命名为太白冰期，与大理冰期相应。黄土的大量堆积主要出现在冰期干冷气候环境，埋藏土壤与古剥蚀面则是在间冰期暖湿气候条件下形成。冰期影响的干冷气候与间冰期影响的暖湿气候间的变转，在第四纪更新世，黄土高原由暖湿向干冷气候的旋回有13次，亚旋回21次。但这样的气候波动，总的变化趋势是冰期干冷气候对本区的影响一次比一次增加，间冰期暖湿气候的影响一次比一次减弱。从早更新世午城黄土中发掘的具有森林草原习性的动物化石(中国长鼻三趾马、中国野牛、短脚野兔)、木本植物孢粉较多、埋藏土壤淋溶粘化强度大等表明了暖湿气候特征。中更新世离石黄土中含有食草性动物化石(鼢鼠类、羚羊、短尾兔)、禾本科与菊科蒿属等大量孢粉及褐色埋藏土层，都表明中更新世时期暖湿程度已不比早更新世了。从红棕色埋藏土壤层的数量和成土强度来看，中更新世气候波动频率比早更新世高，因为早更新世只有6个暖湿成土期，形成了6个棕红色埋藏土壤层，而中更新世却有13个褐红色暖湿程度不等的埋藏土壤层。晚更新世马兰黄土时期，气候更趋干冷了。植物孢粉以禾本科草类占绝对优势，仅菊科中蒿属，就占孢粉组合的17％，表明了典型的干草原。从马兰黄土中含有1～3层暗褐色强石灰反应的埋藏土壤也表明草原土壤钙化形成过程。邻近渭河谷地马兰黄土中的孢粉组合以禾草居多，但木本孢粉松、栎亦不在少数，表明渭河谷地较黄土高原湿热。在高原北部榆林、横山、米脂等地马兰黄土中夹有风积沙丘。以上说明：陕西黄土高原从早更新世至晚更新世，气候从暖湿趋向干冷波动转变，环境由森林草原向千草原转变。晚更新世马兰黄土时期，南北间气候也有由南部暖湿向北部干冷的变异。