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距今1.5万年前的旧石器晚期，今兰州市就有先民居住。距今5000年至4000年间，今兰州市处于马家窑文化、齐家文化时期。夏商周三代，今兰州市为羌戎驻牧地。春秋时期，羌族发展起来，今兰州市西部的河湟一带是他们的聚居地之一。战国时期，北方的匈奴族趁秦国统一六国战争之机，南下驱走月氏族，占领黄河以南至战国秦长城之间的“河南地”，进入今兰州市。
秦始皇统一六国后，派大将蒙恬北伐匈奴，攻占“河南地”。 [39]秦始皇三十三年（公元前214年），在今兰州市城关区东岗镇附近设置榆中县，属陇西郡， [40]管辖今兰州市黄河以南地区，黄河以北地区为匈奴驻牧地， [36]这是兰州地区最早的行政建置。 [40]
西汉初，依秦建制，今兰州市仍为陇西郡辖地。 [36]汉武帝元狩二年（公元前121年），霍去病率军西征匈奴，在今西固区西固城附近设金城县，属陇西郡。 [36] [40]元鼎二年（公元前115年），汉朝在今永登县境筑令居以西塞，开始经营河西地区。元鼎六年（公元前111年），徐自为打败羌人，攻占了河湟地区；汉在河西设置了酒泉郡、张掖郡，并改置令居塞为令居县（今永登县城附近）；还设置了浩亶县（今永登县河桥镇附近）、允吾县（在今青海省民和县古都乡），移民充实新县。 [40]昭帝始元元年（公元前86年），在今兰州市始置金城县，属天水郡管辖。始元六年（公元前81年），又置金城郡。宣帝神爵二年（公元前60年），赵充国平定西羌、屯兵湟中后，西汉在金城郡的统治得到加强，先后又新置七县。
东汉光武帝建武十二年（公元36年），并金城郡于陇西郡， [38] [40]次年恢复金城郡，原辖十三县减为十县，白石、河关、枹罕三县划入陇西郡。东汉中期，河湟地区羌人反抗汉朝的战事扩大，汉朝于汉安帝永初四年（公元110年）将金城郡治迁至陇西郡襄武县（今陇西县），延光三年（公元124年）迁回原治。汉灵帝中平元年（公元184年）冬，湟中义从胡北宫伯玉在河湟地区举兵反汉，杀金城太守陈懿、护羌校尉冷征，金城郡治又迁至榆中县。后河陇地区被韩遂割据势力占据，至汉献帝时被曹操击败，金城郡治迁回允吾县。建安十九年（公元214年），从金城郡析置了西平郡。三国时，金城郡属魏凉州，辖榆中、金城、允街、浩亶、令居、枝阳、允吾七县，郡治榆中县。 [40]
西晋沿置。西晋末年后，天下大乱，进入十六国时期，今兰州市先后为前凉、前秦、后凉、南凉、后秦、西秦所据。前凉分金城郡的令居、枝阳二县，又立永登县，合此三县立广武郡，辖地在今永登县境内。前凉金城郡领允吾、允街、浩鹿、白土（今青海省循化县黄河北岸）、金城、榆中六县，郡治榆中县，其中允街、浩亶、金城、榆中四县在今兰州地区。 [40]东晋太元元年（公元376年），前秦灭前凉，金城郡属前秦，领5县，郡所在治榆中县。太元十一年（公元386年），后凉领金城郡。元兴二年（公元403年），后凉覆灭后，南凉占领广武、金城2郡。
兰州市地表大部分被第四纪松散沉积物所覆盖，基岩主要出露在南部、西部和北部边界一带的山区。境内出露的地层有前古生界、古生界、中生界和新生界等。其中出露面积最广的是中生界下白垩统河口群、新生界第三系红层和第四系黄土等。 [49]
前古生界主要出露在兰州市东南部、南部、西南部边界一带，组成祁连山东延余脉的马衔山、兴隆山、甘青交界的界山、奖俊埠岭以及七道梁的潜山等，其岩性为一套变质岩系。前长城系地层主要分布在榆中县与临洮县交界的马衔山区，在红古区享堂峡也有零星出露，在七道梁以潜山存在，其岩性为一套遭受混合岩化作用而形成的各种混合岩、混合质花岗岩、片麻岩和片岩夹扁豆状白云岩及大理岩。它又可以分为杲兰群和兴隆山群。蓟县系地层零星分布于大通河下游和榆中县小康营以南、高崖西南，另外在马衔山西北麓的高家湾、孙家湾、羊寨一带也有分布。震旦系仅在永登县西北铁成沟、杏儿沟一带有少量出露。 [49]
古生界地层仅分布在永登县和皋兰县北部边界一带，呈北西—南东方向的条带状展布，组成了祁连山东延余脉的宝泉山、和尚沟岘、大土梁等北部界山。寒武系仅分布在永登县葛家堡、甘露池、沙梁墩以东，皋兰县大横路至大土梁以北的边境一带。奥陶系主要分布在永登县境内。志留系分布在永登县富强堡、骟马坪、四泉、宋家窑及皋兰县石青洞至白坡子的北部边界一带。泥盆系零星分布在永登县北部边界的宋家堡、白涝池—韭菜沟、泉儿沟掌、大荒草沟等地。石炭系出露在永登县北部边界。二叠系出露在永登县北部边界一带。 [49]
中生界在红古区和永登县境内更为广泛。三叠系出露在永登县北部边界。侏罗系主要分布于红古区、七里河区和榆中县。白垩系主要分布在永登县奖俊埠岭周围、庄浪河与咸水河两岸，西固区区河口，七里河区七道梁，城关区青白石一带。 [49]
新生界地层是兰州市出露最广地层，其中上新统临夏组分布较广。下第三系的固原群，零星分布于榆中县南部边界的刘家嘴—骡子滩一带。西宁群主要分布在大通河与庄浪河之间。兰州市第四系极为发育，遍布全市。