東亞洪水泛濫等災難導致人口驟減。此後，華北地區誕生了傑出的母系氏族部落——女媧氏。災後女媧造人，大量繁衍，恢復人口，治理水患，斬殺水怪，清除威脅人類的猛獸，利用火災過後產生的大量蘆灰，填補淹水地區（“斷鰲足以立四極，殺黑龍以濟冀州，積蘆灰以止淫水”）。女媧氏恢復和創新了被自然災害一度中斷的人類知識技術積纍，如製陶技術，“造人傳說”中的泥人塑像是製陶技術的副產品。女媧煉的“五色石”即各色陶土，用於製作工具與修補住處。
隨著極寒之後的氣候好轉，各地人口大量繁衍，生存狀態多由游群轉為部落，進而出現部落聯盟，甚至早期國家的形態。該階段是中國傳說中的“三皇”時期，已經有一些部落在較大地域範圍內有了統治能力和影響力，其首領也被視為領導人們走向文明的傑出人物，例如燧人、伏羲、神農三個部落的首領。
繼有巢氏發明建築房屋後，燧人氏發明取火用火，熟食改善人類營養吸收狀況，伏羲氏發明漁獵畜牧，動物性食物增加改善人類營養供給，神農氏發明種植五穀，植物性食物大幅提升食物數量，等等。陶器、弓箭、布帛、音樂等新事物也被各地發明。華夏出現第一個創新爆發期。此時定居和游獵均為部落生存的常態，因此各地間已經存在頻繁交流互動，生產技術與宗教信仰也在擴散和傳播。
中國境內遼河流域的興隆窪文化（8200—7400年前）、紅山文化（6000-5000年前）、黃河流域的裴李崗文化（8000-7000年前）、北辛文化（7500年-6100年前）、仰韶文化（7000-5000年前）、龍山文化（5000-4000年前）、黃河上游的大地灣文化（7800-4800年前）、長江流域的跨湖橋文化（8000－7000年前）、大溪文化（6400-5300年前）、淩家灘文化（5500-5300年前）、錢塘江流域的良渚文化（5300-4300年）等文化遺址都是在兩次小冰期之間這個階段形成的。
從考古成果來看，在黃帝出現而初步開始形成中華文明之前，中華文化主要分布7大區域：遼河流域（北方地區）、黃河上游（甘青地區）、黃河中游（中原地區）、黃河下游（海岱地區）、長江上游（成渝地區）、長江中游（江漢地區）、長江下游（江浙地區）。這樣劃分大體涵蓋主要文化遺址，且可以清晰勾勒“三皇”時期中華文化的區域分布。從這個角度看，黃帝部落既可能來自中原地區，也可能來自甘青地區或北方地區，而後者的可能性甚至更大。
約5000年前，地球氣候最適期結束，大部分地區發生了從濕潤到乾燥的轉變。古西亞與古埃及的城邦國家因環境惡化而戰爭頻繁，不停有族群向四面擴散，希望能够找到更好的栖息地。東亞地區因自然條件優越，逐漸成為各路遷徙族群的目標樂土，并與當地的衆多本土族群在這片“新大陸”上接觸、衝突、融合，對土地、資源與人口進行重新分配。
“三皇”時期中國大地部落密布，已有大小尊卑之分，最強大者稱“帝”，附屬部落被封為公侯，公侯首領的子嗣稱公孫。伏羲氏部落衰弱後，神農氏部落頭領聯合燧人氏部落取而代之，成為部落聯盟之首，自稱“炎帝”。4700年前，青藏高原地區驟冷，赤楊屬植物絕跡，羊齒類孢子劇減，當地居民為求生存大量向東遷徙。黃河流域聚集了來自西部、北部的部落，碰撞和戰爭不可避免。
中國西北地區有一支游牧部落，居住在野獸出沒的地區（“有熊國”），國家不大（“少典”），游獵為主（“遷徙往來無常處”），擅長馴養動物（“教熊、羆、貔、貅、貙、虎”），還會使用中原地區尚未出現的戰車（“軒轅”）。這種戰車與幾百年前西亞出現的戰車是否一致已不可考，但先進的軍事裝備令其所向披靡。
沒有人知道這支部落來自哪裡，衹知道他們遷徙到渭水上游支流姬水的旁邊，以“姬”為姓，并與“有蟜氏”部落聯姻，生下來的部落新首領被稱作“公孫軒轅”。從其父母雙方的特徵來看，都有可能不是當地的本土居民。或者因交流頻繁，發明較多。總之該部落帶來衆多新鮮事物，并開始挑戰神農氏數百年的權威。
神農氏“炎帝”雖然仍在維持天下共主的統治，但已世衰。軒轅氏戰力強大，且憑藉戰車有快速移動的軍事優勢，與神農氏開戰。在阪泉（北京延慶）三戰而擊敗神農氏“炎帝”，軒轅氏成為北方實際上最強的部落（“得其志”）。
“公孫軒轅”挾天子以令諸侯，引發衆多部落不滿。位於黃河下游、江淮流域的衆多部落，不服號令，尤其以蚩尤部落最不聽話（“蚩尤作亂，不用帝命”）。不僅如此，蚩尤氏集結了衆多（約81個）東方與南方部落，主動清君側，向軒轅氏發起挑戰，進攻至涿鹿（河北張家口涿鹿）。
軒轅氏則集結了所有能够動員的北方部落（“征師諸侯”），雙方使用當時最先進的技術（如指南車）、裝備（如頭盔、甲衣、戰車）和武器（金屬刀戈、大弩）投入戰鬥。最終軒轅氏在冀州之野（河北衡水冀州）擒殺蚩尤氏首領。此戰勝利後，“公孫軒轅”被各部落尊奉為首領，取代神農氏稱帝，自此才有“黃帝”的稱號（“諸侯咸尊軒轅為天子，代神農氏，是為黃帝”）。
此後中國進入“五帝”時代，國家形態統治方式日益明顯。黃帝不斷征討不順從的部落，直到平定才離開（“天下有不順者，黃帝從而征之，平者去之”）。最終黃帝成為中華大地上所有部落的霸主（天子），其統治力和影響力波及各地，并隨之帶去先進的技術文化，被後世奉為中華文明的人文始祖。
從文明要素看，這一時期中國不僅有了國家形態的治理制度，也出現了城市建築。距今5000年前的城墻與圍壕遺址全國發現不少於10處，有的建於6000年前。城墻內部有居住區、墓葬區、製陶區等遺跡。金屬工具方面的發掘尚不足，目前發現中國境內最早的青銅器是甘肅馬家窑文化青銅刀（5000年前），但由於是孤例，沒有發現青銅冶煉的痕跡，不排除從外部傳入的可能。中國最早的青銅冶煉遺址和大規模成組的青銅禮器出現在河南洛陽二里頭遺址（3700年前）。
黃帝的四處征討加速了各地文化融合。此前中華大地萬邦林立，群星璀璨，黃帝的橫空出世，令天下歸一，中華文明由多元走向一體。考古成果表明，黃帝的統治範圍可能波及甚廣，權力核心的出現也伴隨著區域中心的衰落。紅山、河洛、良渚、石家河、寶墩、山東龍山等文化支脈均融合到中華文明主脈中。
以黃帝為代表的軒轅氏是游牧為主、農耕為輔的族群，本身通過吸收不同文化，從而成為較之純游牧或純農耕族群更有戰鬥力的部落，在與其他部落的碰撞中不斷融合其他部落，并在融合的過程中，逐步建立起國家形式的統治模式。
黃帝時代出現了新生事物的爆發期，大量發明層出不窮。這些發明有可能均為原創，也有可能存在大量輸入。無論是本土發明，還是受外來族群或技術的啓發出現再創造，都不影響中華文明的燦爛偉大。中華文明自誕生起就是開放的。
黃帝喜歡雲，官職都用雲來命名，軍隊號稱雲師（“官名皆以雲命，為雲師”）。這一偏好反映在當時各地器物上均開始流行雲紋，并成為日後中華文化中的一大特色。從出土文物看，黃帝所在的新石器時期以勾雲紋為主，商代青銅時期的器物常見雲雷紋，此後歷朝歷代都使用雲紋，但樣式各有不同。
“五帝”時代統治實行“家天下”。黃帝、顓頊、帝嚳、堯、舜并稱“五帝”。黃帝有二十五個兒子，兩個嫡子。五帝中，帝嚳和堯是嫡長子系列，顓頊和舜是嫡次子系列。嫡長子玄囂分封在長江中游，嫡次子昌意分封在長江上游（若水，即雅礱江）。
由於黃帝長壽，兩個嫡子均未能接班，繼任者是孫子顓頊。此時天下太平，天子不再需要四處征戰、居無定所。於是顓頊赴任後，開始在黃河中游建造統治中華大地各諸侯國及部落的帝都(有多種說法，例如河南鞏義雙榆樹遺址)。這就是震驚世界的石峁古城。它是2021年美國考古學會期刊《考古》“過去十年世界十大考古發現”中唯一上榜的中國遺址。
石峁城位於陝西榆林神木高家堡鎮，面積至少425萬平方米，規模遠大於年代相近的良渚遺址，相當於6個故宮，是已發現的中國史前時期規模最大的城址，也是當時全球規模最大的城市。經系統勘察和科學檢測，確認興建於約4300年前，正是顓頊與帝嚳的統治時期。廢棄時間約3800年前，即夏朝建立之後。
這座古石城由皇城台、內城和外城三部分構成，皇城台相當於故宮太和殿，內城則相當於紫禁城，外城相當於北京城。這已經完全具備國家都城的基本形制。石峁古城的城內密集分布著宮殿建築、房址、墓葬、祭壇、手工業作坊等龍山文化晚期至夏代早期遺跡。石峁城墻格局很像北京、西安古都的形制，地勢險要，易守難攻，非常符合都城建設的特徵。
石峁古城以墻藏玉，6000餘件，是中國文化中瓊樓玉宇的神話來源。石峁玉器品式多樣，有祭祀用的玉圭、玉璧、玉琮、玉刀等，也有生活和裝飾用品，且製造工藝也已達到相當的水准。作坊區還出土了上萬根由動物骨頭打磨而成的骨針，其中最細的甚至達到了毫米級。石峁雖是出土玉器最多的古遺址，但周邊并無玉礦，說明是石峁作為政治經濟中心從外部輸入的玉器。
石峁是農耕文化與游牧文化融合的地區。顓頊在此建城就是為了方便統治游牧區與農耕區。在顓頊之後的帝位爭奪戰中，嫡次子系列的鯀（顓頊之子、黃帝的曾孫）失敗了，最高權力被嫡長子系列的帝嚳（顓頊之侄、黃帝的曾孫）獲得。帝嚳為確保權力穩定，并彰顯地位的合法與正宗，沒有居住在顓頊所建的石峁古城，而是選在黃帝曾經的辦公場所——陶寺，并予以擴建。
陶寺遺址位於山西省臨汾市襄汾縣陶寺村南，距石峁遺址約400公里，面積約300萬平方米。多種科學方法判斷均顯示陶寺遺址的年代為距今4300年至3900年前。陶寺遺址是中國史前功能區劃最完備的都城，由王宮、王陵、觀象祭祀台、外城、倉儲區、手工業作坊區、下層貴族居住區、庶民居住區構成。遺址中還發現了朱書文字、青銅器、玉器、城墻和城門遺址，完全具備文明要素。
陶寺與石峁這兩大都邑性遺址，南北呼應，既有不同又有聯繫。除了因地理條件的不同，城址建設存在夯築與石築的差異外，在典型器物、築城規劃、城址結構、夯築技術、用玉制度、彩繪圖案、殺戮祭祀、鑄銅技術等方面顯示出千絲萬縷的關係。陶寺和石峁遺址出土的部分陶器，面貌相似度很高。石峁與陶寺在崇尚和使用玉器方面也有較多相似。
陶寺遺址肯定與石峁遺址之間發生過相互影響與借鑒的深刻互動，相互又保持自己的個性。陶寺都城遺址的聚落形態考古研究已經初步表明，陶寺文化早期與中期的統治者，變換了王族，這個更迭很有可能是堯舜之變。
各種證據顯示：“五帝”時代中華文明已具雛形。當時國家觀念、王權觀念、私有觀念、禮制和歷法等均已出現，甚至相當成熟，其中很多被後來的夏商周文明繼承和發展。陶寺古城與石峁古城是五帝時期的文明中心。
2015年中國社科院考古研究所召開新聞發布會，初步確定山西陶寺遺址，極有可能就是黃帝之玄孫帝堯的都城。本文推測，石峁城主要為黃帝之孫顓頊所建，陶寺城主要為黃帝之曾孫帝嚳所建，後經帝堯擴建，已頗具規模。
帝嚳死後，兒子帝摯繼位，但治國不善，不久就死了（“帝摯立，不善，崩”）。帝摯的弟弟帝堯（帝嚳之子、黃帝的玄孫）取得帝位，繼續在陶寺統治天下，治理國家。
4200年前的“4.2千年冷事件”在全球範圍內帶來洪水與降溫。環境惡化導致大量族群無法在原有的高原地帶生存，紛紛到低海拔地區尋求生存和搶占資源，人口流動加劇，利益紛爭激化，同時也為中華文明的進一步成熟創造條件。
帝堯繼位後適逢氣候劇烈變化，“鴻水滔天，浩浩懷山襄陵”。鯀素有賢名，被舉薦治水。鯀本來有資格和機會繼承天子之位，但沒有爭過自己的遠房兄弟帝嚳。因此，帝嚳遷都陶寺之後，鯀就留在父親顓頊開創的石峁城內。但因黃帝嫡次子系列的封國在川甘一帶，鯀也要經常回去，并在那裡生下了禹。
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