據學者推測,在第四紀到來的時候,古華北巨湖消亡,但在坳陷區依然有若干的古湖。這些古湖在構造運動的影響之下,形成了早期的濟水。在全新世時期之初,當時華北平原應該只有北部的濟水水系以及是南部的黃-淮水系。據推測,當時的濟水可能大致分為兩條支津,北支源於今天的濟源,下有沁水的注入,流經沁陽古湖後,然後有淇水、清水注入,再下有羑水、蕩水注入,接着注入了大陸澤和寧晉泊湖淀群系,接納了近20條河流,再流經數個湖淀群後,在天津附近流入渤海。南支即傳統的濟水水道,從沁陽古湖流出之後,向東南方向流經今鄭州市以北的武、敖、古滎。途中有礫石溪水、索水等注入,並在今原陽縣以南,向東北方向流經今封丘縣北,濟陽縣北,在冤句和定陶附近進入古菏澤,而後在乘氏(今巨野西南)向東北注入巨野澤。然後在巨野澤流出,向東北方向,過須昌、谷城、臨邑,在濟南市北流過後,向東經過營縣、臨濟,然後在利縣(今山東博興)入海[7]:154-159。而當時黃河可能隨着淮河南下入海,甚至可能和長江共用一個出海口[7]:154。
在距現今約五千年前的大禹時期,黃河從南下入海改為由在北方入海,黃淮兩者互相獨立出來。最初,黃河選擇的是南支濟水,從開封東南,由雎縣向東,或者由扶溝東下鹿邑,進入周口拗陷並東流入海[7]:162-164 但在後期,因為從晚更新初期的淤積之下,加上黃河本身的泥沙量,於南支並沒有辦法順暢下瀉,並改走北支。南支作為傳統意義上的濟水,學者認為在大禹治水之,濟水實際已經成為了黃河的一條支津。史念海認為,當時黃河有數條支津,而濟水則是其中之一。岑仲勉認為,在東周時期,濟水可能是黃河的正流。 [7]:164-168
在漢魏時期,據《水經注》卷七、卷八中記載,濟水分為兩支,第一支為南濟:在濟源出,東南進入溫縣,東南流經過隤城以西,之後南出於鞏縣以此,南入於黃河。之後經過辠縣北,向東流依次經過膋陽縣以北,礫溪以南,滎澤以北,陽武縣南,濟陽故城以南,冤胊縣以南,定陶縣以南,陶丘以北,濟陽郡以南。接着改為東南流乘氏縣以南,又繼續東流昌邑縣以北、金乡县以南、东缗县以北、方与县以北,湖陆县以南,沛县东北。接着东南流經过畄县北,又東經彭城县北,又东南过徐县北,又东至邳睢陵县,流入淮水。[8]:86-87 第二支為北济:由温县东北流出,過过阳武县故城以北後,依次經過酸枣县东南,封丘县以北,平丘县以南,济阳县以北。其一條從濟陽縣東北流入巨野泽,由东北过寿张县西界後,向北过须昌县以西,谷城县西,临沂县东。改為向東北流,過过营县以南,东过梁邹县北,又改為東北流向,依次經過临济县以南,利县以西,甲下邑以南。最後向東流經琅槐县故城北,在乐安郡博昌縣入海。[9][8]:86-87水量方面,在漢魏時期,在洪水季節的時候,有多次和黃河共同泛濫的記錄,顯示當時的水量依然充足。但據《後漢書·郡國志》,在王莽時期也有因為大旱而枯絕的記錄。[7]:176-177
至唐宋時期,已較為少見河、濟共同泛濫的文獻,顯示濟水作為黃河的支津,已經開始枯竭。這主要因為濟水作為黃河的支津承受了大量的泥沙,但是沒有得到有效的清理。即使有所清理,也是較為局部或者是臨時,因此開始堵塞。此外,當時為了漕運在濟水的入河口修建了汴水,因此也可能影響了濟水的水量。[7]:184-185 在咸豐五年(1855年),黃河在蘭陽(今河南蘭考)銅瓦廂決口,以濟水河道進入渤海,濟水正式消失。[7]:188-189
在古代對於及水源頭較為流行的說法是指济水源自济源王屋山,晋代郭璞《水经》指:“水出王屋山为沇水,东至温县西北为济水”,北魏郦道元《水经注·济水》指“济水出河东垣县东王屋山,为沇水”。唐初李泰《括地志辑校》將源頭明確指明为“王屋山顶崖下石泉”[10]。晚唐著道士杜光庭撰写的《天坛王屋山圣迹记》认定为王屋山主峰天坛山顶西崖下的“太一泉」[11]。至明代,李濂《游王屋山记》認為王屋山黑龙洞太乙池是濟水的發源處[12],至清代胡渭在《禹贡锥指》也認可出自於王屋山太乙池的說法。[13]:27此外,也有發源於濟源城區西北東、西二源的說法。《水经注》認為濟水出自於濟城城區西北的兩個泉水[14]。唐代李吉甫编撰的《元和郡县图志》记载了济水兩個源頭[15],指雖然有王屋山的源頭,但是也指明有東源。宋代《太平寰宇記》、清代蔣作錦《東源考古錄》也使用了這個說法。[13]:28
古代人們認為濟水發源於王屋山後潛流於地下,再流向今溫縣西南,然後再潛流於地下,越過黃河之後,再滎陽以北溢出,形成滎澤。然後在滎澤以東,濟水再次伏流,然後在陶岳(今山東省定陶西)北溢出。過程中三次潛流,又三次伏出,即是「三伏三見」。[16]:53宋代的鄭樵、沈括,明代的胡纘宗等都認同這個說法。鄭樵在《通志》中認為伏流的現象非常常見,濟源、滎水、以及山東各泉水和大小清河都是濟水[17]。沈括在《梦溪笔谈》中记载:“济水自王屋山东流,有时隐伏地下,至济南冒出地面而成诸泉。」[16]:54也有部份古代學者認為「伏見」的現象並不可信,程大昌在《禹贡山川地理图》中指假如伏流說成立的話,在漢高宗的時候黃河不入滎口,也應該有濟水的水源補充滎澤,不至缺水,因此不認同「伏見」的說法[18]。胡渭引用了王纲振說法,認為假如濟水流入黃河可以算是伏見的話,這樣渭水、洛水流入黃河也可以算是伏見的一種,認為「三伏三見」說沒有依據[19]。[16]:54
現代學者一般都不認同古代的「三伏三見」說。1957年,岑仲勉在《黃河變遷史》中否定了「截黃而南」的觀點,認為濟水是濟河源頭到入於黃河的一段[20]。何幼琦則認為濟水上游並非黃河的支流,而中下游也不是黃河的支渠。[21]史念海認為,濟水並不是獨立的一條河流,而是黃河分流出來的支津。[22]譚其驤在《中國歷史地圖集》中將濟水標为和黃河平行的獨立河流,認為它發源於河南,流經山東,然後流入渤海。[23]
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