主條目：大洪水
參見：積石峽災難性洪水（英語：Jishi Gorge outburst flood）
從吉爾伽美什史詩到挪亞方舟，大洪水是世界諸多民族遠古傳說中共有的成分。鯀禹治水是洪水傳說的中國版本，整個治水過程改變了黃河中下游文明的格局，為中國進入國家文明提供了契機與條件[15]。
大約在公元前24世紀至前22世紀，北半球氣候大幅降溫。文獻記載舜派禹伐三苗時，「夏有冰……五谷變化」，氣候異常。前22、前21世紀交替時，氣候突變，普遍轉暖，游牧文明逐漸轉向定居的農業生產[16]。溫度上升加速了冰川的融化，北半球許多河流的中下游聚居區域發生洪災[17]。
根據地質學研究，黃河在公元前2050±150年有過一次大變道，由東流（山東入海）轉為北流（河北、天津入海）[18][19][20]。這次洪水泛濫影響到中下游諸多互不相干的氏族部落，治水需要一個諸族聽命的中央權力來指導，於是鯀、禹被舉薦。他們來自洪水影響相對小的中游地區。治水成功後，夏后氏不僅沒有放棄非常時期授予的權力，反而集中權力建立王朝[21]。這次洪水可能延續了一、二百年，居於下游的商部族首領冥，在夏朝中期[22]還曾在治水過程中喪命。豫西、晉南的河南龍山文化在二里頭文化中得到了延續，而洪水前興盛的山東龍山文化在此時衰落，甚至出現文化倒退[23]。
史前洪水發生的真實性從側面證實了夏朝前夕的歷史，同時也揭露了鯀禹治水記載中的一些可疑之處。文獻歸結鯀治水的失敗在於堵障，而禹的成功在於疏導，但是堵障洪水是一貫的抗洪舉措，不至於使鯀被殛死。屈原質疑，「洪泉極深，何以窴[24]之？地方九則，何以墳之？河海應龍？何盡何歷？鯀何所營？禹何所成？[25]」，無解大禹是如何制服洪水的。疏通九川，開闢九州等浩大工程非人力所及，這種千年一遇的大洪水即便在現代科學也難以控制，很難相信現代科學之前的禹是僅靠疏導河流制服洪水的。現代的科學家們猜想大禹治水時，氣候忽然好轉，季風降雨正常化，植皮恢復，各大河流完成改道，洪災自然也隨著氣候的改善而減少，這可能更接近於「事實」[19]。
2016年8月4日，一個中美科研團隊在美國《科學》雜誌上宣布，他們在黃河流域發現了古代一場超級大洪水的科學證據，這一洪水很可能就是「大禹治水」故事中提到的災難性大洪水。2007年，他們在黃河上游積石峽（宿霧語：Jishi Xia）地質考察時偶然看到了一些特殊的碎屑，後確認為上古一場巨大潰決洪水的沉積物。由於這一洪水規模巨大，他們推測，這很可能就是中國大洪水傳說的源頭。[26] 大禹導河積石，為《尚書·禹貢》等古籍所記載。[27]
目前所能找到的最早提到大禹治水的文物是九百年以後西周的遂公盨，銘文中首句曰「天命禹敷土，隨山浚川，迺差地設征」。遂公盨的發現，將「大禹治水」的記載從春秋時期提早至西周時期。[28] 壺口瀑布之下約65公里的禹門口（又稱龍門）亦相傳是大禹治水所在地。[29][30]