Tijdens de voorlaatste ijstijd schoven gletsjers vanuit Scandinavië zo ver op dat ze het gebied bereikten dat nu Nederland wordt genoemd. IJsmassa’s met een geschatte dikte van minstens tweehonderd meter drukten de ondergrond omhoog. Zo zijn meer dan 130.000 jaar geleden niet alleen de stuwwallen van de Utrechtse Heuvelrug en de Veluwe ontstaan, maar ook die van Nijmegen-Kleef.
In het Rijk van Nijmegen ligt het hoogste punt van de stuwwal bij Groesbeek (99 meter). Het overgrote deel van Nijmegen ligt niet op de stuwwal zelf maar op een waaier van zand en grind, achtergelaten door smeltwater dat van de stuwwal af stroomde. Vanaf het Kops Plateau loopt deze spoelzandvlakte geleidelijk naar het westen af. De relatief vlakke en hoge ligging, aan de steile rand langs een rivierdal, gaf het Kops Plateau en de nabijgelegen Hunnerberg een strategische positie. Niet voor niets werden deze locaties veel later door de Romeinen uitverkoren als legerplaatsen.
Ook de laatste ijstijd heeft nog bijgedragen aan de vorming van de Nijmeegse ondergrond. Het landijs reikte toen weliswaar niet tot hier, maar met name aan het einde van die koude periode, omstreeks twaalfduizend jaar geleden, had de wind vrij spel met de onbegroeide bodem, waardoor het laagste deel van de spoelzandvlakte werd afgedekt door een laag opgestoven zand of löss. Tijdens de laatste ijstijd zijn de meeste smeltwaterdalen gevormd. Het Hengstdal is daarvan het duidelijkste voorbeeld.
De voorgeschiedenis van de Waal kunnen we laten beginnen aan het eind van de laatste ijstijd. Het smeltwater dat zich toen vanuit het Duitse gebied met kracht een weg baande in de richting van de Noordzee vormde tussen Arnhem en Nijmegen een brede, kale vlakte, met een wirwar van waterlopen, die voornamelijk grof zand, grind en stenen afzetten. Dit vlechtende rivierensysteem veranderde in de loop van de tijd in een systeem van meanderende rivieren met een veel rustiger stroming. Meer dan vijfduizend jaar geleden vormde zich een brede stroomgordel voor de Nijmeegse stuwwal langs, die het water in noordwestelijke richting afvoerde naar de kust. Deze belangrijke loop – die in eerste instantie ook het gebied van de Waalsprong doorsneed – bleef nog bijna drie millennia intact, maar al ongeveer vierduizend jaar geleden zijn daarnaast de voorlopers van de huidige Nederrijn en Waal ontstaan.
Het is de rivier geweest die Nijmegen de kans bood zich te ontwikkelen tot legioenvesting, bestuurscentrum, welvarende handelsplaats en vestingstad. De Romeinse geschiedschrijver Tacitus laat er geen twijfel over bestaan dat de Waal in deze contreien de breedste rivier was, een status die hij tot op de dag van vandaag heeft behouden.