海原大地震前，有很多前兆和异常现象。最突出的异常现象表现为：地下水波动、动物异常、地声、地光等。据民国《固原县志》记载：“又有向居平原之人，家有井绳十丈，震前忽强半而能汲水，人以为水旺，其实地震之预兆也。”“未震之先，有居山之人，有时夜半……闻沟内空响。”“震前数日，有后山之人，有时夜半看到山中闪火。”据《重修隆德县志》记载，震前“夜半晦黑，天忽开朗，光明照耀，无异日中，使必地震”。“天晴日暖，碧空清净，忽见黑云如缕，宛如长蛇，横卧天际，久而不散，势必为地震”。据民国《朔方道志》记载：“民国八年五月二十六日，盐池暴风大起，尘霾四塞，屋瓦齐飞，逾时乃已。”
动物反常
1920年海原特大地震前，震中所在地的海原及其周边地区，动物异常现象相当普遍。震前月余间，有些人家饲养的牛羊骡马驴猪等家畜出现了反常，夜不归圈。主人强行驱赶，家畜神态惊恐，甚至不怕鞭打，连踢带牴，撒腿逃跑。当地震即将发生时，有的牲畜撞开圈门，嘶叫外逃。家禽的鸣叫一反常态，雄鸡打鸣报晓不守时辰，连母鸡也啼鸣不已。山中之民还听到野鸟夜啼，看到过冻僵的蛇趴在洞外。震前，据说老鼠早已逃得无影无踪，村民茫然不解。猫狗狐狼，叫声凄惨而恐怖，令人毛骨悚然。夜间，群狼长嚎，众犬狂吠，此起彼伏，遥相呼应。曾有狗匍匐在主人脚下，焦躁哀叫，且有紧张战栗情状，而主人莫名其妙，不以为然。据《一九二〇年海原大地震》记载：“震中地区海原县干盐池、西安州、红羊、杨明堡等地，狗表现十分不安，有时对空乱吠，有的爬在地上哭嚎；入夜以来吼叫尤甚，声音凄惨，彻夜不绝。”
震前动物反常，是它们感应到了异乎寻常的自然变化，而震后诞生的彩鲫，则是大滑坡形成的堰塞湖的神奇精灵。
井水涨落
据震后调查，极震区各地都有程度不同的井水涨落报告。高涨之井水，有的数尺，有的盈丈，有的溢出井口；而井水低落者较少，但也有井水枯竭的现象。关于水质的变化，当时还有井水浑浊泛泡的传说。震后，大部分老井坍塌，修复后使用的井，水位基本复原。
气候异常
据兰州地震大队调研，1920年西北大旱，赤地千里。但震灾最严重的海原，民间却传说当年五谷丰登，粮食成山，农民沉浸在丰收的喜悦之中。那年秋天，海原的香水梨还未成熟，可树头上又开出了白灿灿的花朵。人们误以为是好年景，并不在意。据地震幸存者回忆：“民国九年春天，海原河道一些地方的桃树、香水梨树，在果子还没成熟时，出奇又开花了。冬天，虽已是严冬季节，天气却特别暖和，个别阴坡没有冻土，还长着青草。”
地声地光
在西海固地区，当年大地震的幸存者中曾有人在震前听到过诡秘的地声。夜深人静、万籁俱寂时，大山深谷中隐隐约约传来沉闷的空响；睡在窑洞里，地下黄土中还断断续续传来撕布之声。居住在山外之民，曾在漆黑的夜晚发现过南华山、西华山和月亮山等山中不时闪耀红光，忽明忽暗，忽强忽弱，有人竟认为是地狱鬼火。亦有人在震前黄昏看见高山之巅红光罩顶，十分壮观。
天象怪异
地震来临之前，在震区西北天空曾多次闪现奇光。有红色的火球，有白色的光束。西海固各地传说当晚西北天空猛然一亮，紧接着地动山摇了。震中西安州有人傍晚外出，突然一道白光从眼前闪过，惊魂未定，地面瞬间大震。寒冬时节，震区有些县乡空气燥热烦闷。在会宁县与海原县交界地带，还有陨石雨落下。地震当日早晨，海原境内突降大雪，周围各县也下起小雪。黄昏时分，海原西南黑风骤起，固原和靖远黄风漫卷，周边有些地区阴霾朦胧，土腥味很重。
