Der norddeutsche Raum wurde im Quartär dreimal vom Eis überdeckt. Diese Perioden heißen Elster-, Saale- und Weichsel-Kaltzeit. Die Gestaltung der Sennelandschaft begann in der Saale-Kaltzeit vor etwa 200.000 Jahren. Zu dieser Zeit lagen zwei Gletscher vor dem Teutoburger Wald: einer erstreckte sich von Norden her durch die Porta Westfalica und andere Quertäler im Wiehengebirge, ein zweiter, der sogenannte Emslandgletscher, umfloß den Teutoburger Wald im Nordwesten, füllte die Westfälische Bucht mit Eis an und erreichte den Höhenzug wieder von Südwesten her bei Bielefeld.

Beim Abschmelzen des Eises bildete sich Schmelzwasser, das von dem nördlich des Teutoburger Wald gelegenen Inlandeis durch Täler im Gebirge nach Südwesten in das Gebiet der heutigen Senne abfloß. Das Schmelzwasser führte große Mengen an Sand mit, der teilweise vom Teutoburger Wald abgerieben und anschließend im Bereich der Senne abgelagert wurde. So entstanden die mächtigen Sandablagerungen, die an manchen Stellen heute noch über 60 Meter mächtig sind. Der Sand der Senne ist also zum großen Teil zerriebener Osning-Sandstein.

Die Eiszeiten in der Senne (© Peter Rüther, Biologische Station Senne)

Im nördlichen Teil - etwa zwischen dem heutigen Bielefeld-Brackwede und der Dörenschlucht bei Augustdorf - traf das Schmelzwasser auf den noch nicht abgetauten Emslandgletscher. Hier wurde der Sand in einem relativ schmalen Streifen südwestlich des Teutoburger Waldes abgelagert. Nach dem Abtauen des Gletschers blieb eine Geländestufe aus dem abgelagerten Sand stehen, die teilweise auch heute noch zu erkennen ist. Man nennt dies eine Kameterrasse. Weiter südöstlich waren bereits größere Flächen abgetaut, als die Schmelzwässer diese Gegend erreichten. Der Sand wurde hier großflächig abgelagert, es entstand ein sog. Sander, der Senne-Sander.

Der Emslandgletscher führte auf seinem Weg von der Ostsee um den Teutoburger Wald herum in die Westfälische Bucht auch Gesteinsbrocken mit und lagerte sie schließlich ab. Man spricht von einer Grundmoräne. Bei den Gesteinsablagerungen handelt es sich um Material aus Skandinavien, dem Ostseeraum, der Gegend um Rheine am Nordwestrand des Teutoburger Waldes und dem Gebiet der Baumberge in der Westfälischen Bucht. Darüber hinaus bestehen Grundmoränen zum größten Teil aus Lehm. Gesteine aus dem Gebiet nördlich des Teutoburger Waldes fehlen in der Grundmoräne der Senne. Daher kam man zu der Schlußfolgerung, daß der Gletscher den oben beschriebenen Weg genommen haben muß.

An den Stellen, wo das Eis gegen einen ansteigenden Untergrund langsamer floß, wurden in Fließrichtung des Eises stromlinienförmige Moränenrücken abgelagert, die sog. Drumlins. Im Gebiet südwestlich des Teutoburger Waldes etwa 40 solcher Lehmrücken. Gut erkennbare Drumlins erstrecken sich z.B. östlich der Gemeinde Verl zwiscehn Öl- und Landerbach oder von Bornholte bis zum Holter Wald, der sog. Bornholter Rücken. Die Drumlins haben eine Länge zwischen 500 und 2.500 Meter.

Vor etwa 130.000 Jahren wurde das Klima allmählich milder. Das Eis wich zurück. Es begann die Eem-Warmzeit (auch Zwischeneiszeit oder Interglazial genannt). Zu dieser Zeit haben wohl ähnliche Klimaverhältnisse geherrscht wie in der Gegenwart. Vor etwa 70.000 Jahren begann eine neue Kaltzeit, die Weichsel-Kaltzeit. Zumindest für die Senne und den Teutoburger Wald kann man in diesem Fall nicht von einer Eiszeit sprechen, da das Eis nicht mehr bis in diese Gegend kam. Die südliche Grenze des Inlandeises der Weichsel-Kaltzeit verlief nämlich nordöstlich der Elbe.

Obwohl die Senne und der Teutoburger Wald damals eisfrei blieben, war üppiger Pflanzenwuchs bei den vorherrschenden Klimabedingungen nicht möglich. Kälteempfindliche Pflanzen konnten nicht mehr existieren, auch keine Bäume und Sträucher. Nur einige Kräuter und Zwergsträucher überdauerten die Kaltzeit, es herrschte ein Tundrenklima.