IJstijden legden de basis
Het landschap van Nationaal Park Drentsche Aa is voor een groot deel gevormd door drie ijstijden.
De Elster-ijstijd (475.000-410.000 jaar geleden)
Tijdens de Elster-ijstijd kwam voor het eerst landijs vanuit Scandinavië naar Nederland. Dit zorgde voor een dikke laag smeltwaterzand en diepe dalen, die ook wel tunneldalen worden genoemd, in Noord-Drenthe. Deze dalen zijn opgevuld met wit zand, grind en zware klei, die door het smeltende ijs zijn afgezet.
Het witte zand uit deze ijstijd noemen we Peelozand, ook wel Poesjeszand genoemd. Op het Balloërveld ligt dit zand op sommige plekken aan de oppervlakte.
Daarnaast ontstond er potklei, een fijne kleisoort die bijna geen regenwater doorlaat. In de middeleeuwen gebruikte men deze klei om bakstenen, ook wel kloostermoppen, te maken. Door de slechte doorlaatbaarheid van potklei groeit er een speciale soort planten in deze gebieden. Potklei komt onder andere voor rond Anderen en Gasteren. Bij Gasteren komt de potklei soms boven de grond en zorgt voor hoogteverschillen. Door de potklei in de bodem blijft het beekdal van het Gasterensche Diep smal, omdat het klei de uitslijting door water vertraagt.
Ook tussen Loon en Balloo zie je potklei in de bodem, vooral bij het smalle beekdal van het Taarloschediep. Vroeger werd hier zelfs potklei gewonnen om stenen van te bakken.
De Saale-ijstijd (370.000-130.000 jaar geleden)
Het basislandschap van het Drentsche Aa gebied is vooral gevormd tijdens de voorlaatste ijstijd, het Saalien. Toen schoven gletsjers vanuit Scandinavië naar Noord-Nederland. Dit liet een bodem vol keien en stenen achter, met diepe smeltwatergeulen, zoals die van de huidige Drentsche Aa. Het landijs reikte toen ongeveer tot de lijn Leiden-Utrecht-Nijmegen. Door de druk van het ijs ontstonden er stuwwallen, zoals de Utrechtse Heuvelrug.
Het ijs smolt af en toe en kwam duizenden jaren later weer terug. Aan het einde van de Saale-ijstijd, ongeveer 150.000 jaar geleden, begon een smalle ijsstroom, ook wel een ijsrivier genoemd, te bewegen. Deze ijsrivier trok vijf diepe, parallelle ruggen en laagten door Drenthe, waaronder de Hondsrug en de Rug van Rolde. Deze ruggen, ook wel mega-flutes genoemd, vormen de basis van het huidige Drentsche Aa landschap
Door het smeltwater van het ijs ontstonden diepe dalen, zoals die van de Drentsche Aa. Toen het ijs uiteindelijk smolt, bleef er een dikke laag keileem achter, gevuld met klei, zand, grind en zwerfkeien.
De Weichsel-ijstijd (110.000-12.000 jaar geleden)
Tijdens de Weichsel-ijstijd bereikte het landijs Nederland niet, maar het was hier wel erg koud. De zeespiegel daalde meer dan honderd meter, waardoor een groot deel van de Noordzee droogviel. Het land was bedekt met een toendra-achtige plantengroei, ook wel de mammoet-steppe genoemd. In deze koude omgeving leefden dieren zoals mammoeten en wolharige neushoorns. Deze dieren trokken jagers aan, waaronder Neanderthalers. Tegen het einde van de Weichsel-ijstijd werd het zo koud dat zelfs in de zomer de temperatuur nauwelijks boven nul kwam.
In het Hondsruggebied was het landschap kaal en bedekt met toendra. Zandstormen schuurden de grond en legden een laag dekzand neer, die nu nog op veel plekken aan de oppervlakte ligt. Dit dekzand heeft zich vaak opgehoopt in lange, brede ruggen.
Tijdens deze ijstijd ontstonden ook veel pingoruïnes (ijsheuvels) door opstuwing van grondwater onder de bevroren grond. Deze oude, ronde laagten in het landschap zijn nog op veel plaatsen in het Drentsche Aa gebied te zien.