Kemijoen valuma-alue on syntynyt miljoonien vuosien aikana. Sen toiminnot ovat muuttuneet paljon. Nyt mennään jo vauhdilla kohti vetytaloutta.
Jääkauden lopulla valuma-alue oli suureksi osaksi veden alla. Ounasjoki, Kitinen, Luiro ja Kemihaara olivat itsenäisiä jokia ja laskivat Yoldiamereen. Maankohoamisen seurauksena joille muodostui yhteinen alaosa. Ne pitenivät 100–200 kilometriä. Joet hakeutuivat maankuoren suoraviivaisiin murroslaaksoihin.
Kemijoki oli jo varhain jokiverkostoineen tärkeä kulkuväylä, se yhdisti eri alueita. Jokivarret antoivat ihmisille elannon. Lohi, hauki ja peura sekä turkikset olivat tärkeimmät luonnonvarat.
Lappalaiset, nykykielessä saamelaiset, olivat tuhansia vuosia alueen ensimmäisiä asukkaita. Satoja vuosia sitten alueelle tuli suomalaisasutusta. Keskiajalla harjoitettiin eränkäyntiä ja kaskiviljelyä, mutta vähitellen 1700- ja 1800-luvuilla karjatalous ja peltoviljely kehittyivät.