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.