海原大地震前，有很多前兆和異常現象。最突出的異常現象表現為：地下水波動、動物異常、地聲、地光等。據民國《固原縣誌》記載：“又有向居平原之人，家有井繩十丈，震前忽強半而能汲水，人以為水旺，其實地震之預兆也。”“未震之先，有居山之人，有時夜半……聞溝內空響。”“震前數日，有後山之人，有時夜半看到山中閃火。”據《重修隆德縣誌》記載，震前“夜半晦黑，天忽開朗，光明照耀，無異日中，使必地震”。“天晴日暖，碧空清淨，忽見黑雲如縷，宛如長蛇，橫臥天際，久而不散，勢必為地震”。據民國《朔方道誌》記載：“民國八年五月二十六日，鹽池暴風大起，塵霾四塞，屋瓦齊飛，逾時乃已。”
動物反常
1920年海原特大地震前，震中所在地的海原及其周邊地區，動物異常現象相當普遍。震前月餘間，有些人家飼養的牛羊騾馬驢豬等家畜出現了反常，夜不歸圈。主人強行驅趕，家畜神態驚恐，甚至不怕鞭打，連踢帶牴，撒腿逃跑。當地震即將發生時，有的牲畜撞開圈門，嘶叫外逃。家禽的鳴叫一反常態，雄雞打鳴報曉不守時辰，連母雞也啼鳴不已。山中之民還聽到野鳥夜啼，看到過凍僵的蛇趴在洞外。震前，據說老鼠早已逃得無影無蹤，村民茫然不解。貓狗狐狼，叫聲淒慘而恐怖，令人毛骨悚然。夜間，群狼長嚎，眾犬狂吠，此起彼伏，遙相呼應。曾有狗匍匐在主人腳下，焦躁哀叫，且有緊張戰栗情狀，而主人莫名其妙，不以為然。據《一九二〇年海原大地震》記載：“震中地區海原縣幹鹽池、西安州、紅羊、楊明堡等地，狗表現十分不安，有時對空亂吠，有的爬在地上哭嚎；入夜以來吼叫尤甚，聲音淒慘，徹夜不絕。”
震前動物反常，是它們感應到了異乎尋常的自然變化，而震後誕生的彩鯽，則是大滑坡形成的堰塞湖的神奇精靈。
井水漲落
據震後調查，極震區各地都有程度不同的井水漲落報告。高漲之井水，有的數尺，有的盈丈，有的溢出井口；而井水低落者較少，但也有井水枯竭的現象。關於水質的變化，當時還有井水渾濁泛泡的傳說。震後，大部分老井坍塌，修複後使用的井，水位基本複原。
氣候異常
據蘭州地震大隊調研，1920年西北大旱，赤地千裏。但震災最嚴重的海原，民間卻傳說當年五穀豐登，糧食成山，農民沉浸在豐收的喜悅之中。那年秋天，海原的香水梨還未成熟，可樹頭上又開出了白燦燦的花朵。人們誤以為是好年景，並不在意。據地震幸存者回憶：“民國九年春天，海原河道一些地方的桃樹、香水梨樹，在果子還沒成熟時，出奇又開花了。冬天，雖已是嚴冬季節，天氣卻特別暖和，個別陰坡沒有凍土，還長著青草。”
地聲地光
在西海固地區，當年大地震的幸存者中曾有人在震前聽到過詭秘的地聲。夜深人靜、萬籟俱寂時，大山深穀中隱隱約約傳來沉悶的空響；睡在窯洞裏，地下黃土中還斷斷續續傳來撕布之聲。居住在山外之民，曾在漆黑的夜晚發現過南華山、西華山和月亮山等山中不時閃耀紅光，忽明忽暗，忽強忽弱，有人竟認為是地獄鬼火。亦有人在震前黃昏看見高山之巔紅光罩頂，十分壯觀。
天象怪異
地震來臨之前，在震區西北天空曾多次閃現奇光。有紅色的火球，有白色的光束。西海固各地傳說當晚西北天空猛然一亮，緊接著地動山搖了。震中西安州有人傍晚外出，突然一道白光從眼前閃過，驚魂未定，地麵瞬間大震。寒冬時節，震區有些縣鄉空氣燥熱煩悶。在會寧縣與海原縣交界地帶，還有隕石雨落下。地震當日早晨，海原境內突降大雪，周圍各縣也下起小雪。黃昏時分，海原西南黑風驟起，固原和靖遠黃風漫卷，周邊有些地區陰霾朦朧，土腥味很重。