1920年（民国九年）12月16日（农历庚申年十一月初七），宁夏固原时值寒冬，晚8时许天早已漆黑，日落而息、日出而作的庄户人家大多已进入梦乡。
突然天崩地裂打破了寒冬的宁静，巨大灾难降临了：从宁夏固原到甘肃景泰间的地壳浅层瞬间破裂。这是一个长达237千米的破裂，从地下20千米到地表，破裂产生的巨大动力以弹性波作为释放能量的方式，摧枯拉朽的强烈震动持续了十几分钟，强大的弹性地震波以每秒5～6千米的速度向周围传播。
大地震产生的弹性地震波像引发连锁反应的多米诺骨牌，从中国甘肃六盘山附近的震中区，依次以叠瓦状扑向中国的东部，以每秒5~6千米的速度行进。当时大多数中国人都先后感觉到了这次地震。据震后的统计，有感面积达251万平方千米，约占中国陆地面积的1/4，成为中国历史上波及范围最广的一次大地震。
大地震破裂的中心位置，位于当时的甘肃省海原县（今属宁夏回族自治区，北纬36.5°，东经105.7°附近）的干盐池附近，以甘肃（现行政归属宁夏）海原县李俊堡为中心，断裂开始向西北扩展至景泰兴泉堡(现在为甘肃景泰县喜泉镇)截止，在东南方向扩展至六盘山截止，具体地点在现在宁夏固硝口附近。地壳破裂撕开了长230余千米长的地震形变带。正确的理解是，地震一边撕开地壳形成大断裂，一边向大断裂的两头发出强烈的纵向地震波，也向大断裂的正交垂直方向发出强大的地震剪切波。
大地震造成灾害的极震区包括固原、隆德、西吉、靖远、景泰等县，呈条带状，北西向展开，面积2万平方千米。
由于极度的贫困，地震极震区的百姓多住在简陋的窑洞中。当地的窑洞有2种：一种叫“拱窑”，即用土垒成一个金字塔状的窑，真正是“干打垒”，人居其中；另一种叫“崖窑”，是在山坡凿洞而居。可想而知，这2种窑洞的抗震性能极差，这是大地震造成人员伤亡惨重的重要因素。崖窑的灾害形式是自身没有垮塌，而黄土滑坡把崖窑出口堵住之后，造成内部人员窒息死亡。在地震区中，西北特有的广而厚的黄土起了放大震动而加重灾害的作用。那厚厚的黄土就像放在桌子上的大果冻，桌子一旦抖动，那大果冻肯定晃动得厉害。黄土除了能放大地震波的震动之外，本身还是松软的结构，一遇震动就酥，一酥就垮，而极震区厚厚的黄土在大地震驱动下，成了人间的“绞肉机”。
按照《中国民报》1921年3月的地震灾情调查表，海原县死亡人数为4.5万余人，被压毙的牲畜有7万余头，房屋则倒塌了8/10。半年后，北洋政府的正式官方文件，将海原县死亡人数确定为7.3万余人，约占海原县总人口的59%，占总死亡人数的31.2%。其次为固原县，1921年呈报的官方死亡数字为4万余人。
除海原、固原之外，其他如会宁、隆德、通渭、靖远、静宁5县，死亡人数均过万人，这一数字在当时人口并不多的西北地区是相当可观的。
海原大地震致灾严重还有一个重要因素，即在地震后紧接着又有一场大的寒流扫荡了中国北部。1920年12月16日海原8.5级大震后约24小时，在西伯利亚形成的一个“巨无霸”寒流，在12月17日入夜后到达极震区的范围。地震之后的强风把房子都刮倒了，堵塞了东边(陕西方向）通往灾区的道路。极震区的这次寒流更是阻塞了相邻地区救灾的可能，虽然无法统计出寒流灾情的详细数据，但其大大加重了地震灾害却是可以想象的。
地震发生后，《晨报》《时报》《大公报》《民国日报》《申报》《南京日报》《盛京时报》《大陆报》等几十家各类报纸报道了这次大地震。16日发生地震，20日《中国民报》就做了报道。
1920年前后的中国政局极不稳定，军阀混战，直系军阀曹锟、吴佩孚刚替代皖系军阀段祺瑞的统治，秉持中央政府权柄的是“中华民国”大总统徐世昌。中央政府的权威有限，掌控的经济资源有限。徐世昌在收到甘肃地方当局的报告后，采取的举措一是派员赴灾区调查灾情，二是组织了一个全国急募赈款大会，三是以个人之名捐了1万块大洋。
在甘肃方面，时任甘肃省督军的张广建采取了一系列紧急措施应对这场突如其来的灾难：在省内设立筹赈公所，倡捐集募，分发仓粮，并提公款急办毡衣。向中央政府要求颁发帑银，以救灾黎；申请将甘省邮电因赈加费，所属官吏二成俸费之上加增一成，尽数截留充捐；申请准予盐款、烟酒印花项下暂行指拨若干，以供急用。
甘肃地方当局基本上动员了可以动用的所有资源，但当时甘肃政局动荡不安，省内各地实力派争斗不休，省署财政紧张，省督的命令很难推行到全省。1921年年初，张广建被北京政府撤职，陆洪涛代理甘肃督军。陆洪涛督甘后，各地镇守使把持各县民财两政，对省署形成割据之势，导致省署财政吃紧，命令不出省垣，严重影响了救灾的效果。
1921年3月底，甘肃政府对灾区基本灾情的数字已经摸清并上报，包括各地人员伤亡数、牲畜死亡数、倒塌房屋数等。另外，由于民风淳朴，各个割据势力力量较小、未敢轻举妄动，在灾区没有发生兵乱，治安情况良好。
1921年5月27日，国际救灾委员会的调查员霍尔先生和海格斯先生将甘肃遭地震破坏的照片带回北京，引起人们极大关注。这2位调查员应群众的请求，6月1日将照片在北京广场放映，还将所有的放映收入交给甘肃地震救济机构。
海原大地震发生后，甘肃震灾救济会及华洋义赈会等民间团体组织积极倡导各界进行募捐。
1921年1月9日，甘肃旅京同乡在北京南横街吴公祠开会，组织甘肃旅京震灾救济会，举定柴春霖为干事长、苏源泉为副干事长，另有干事21名，统一协调筹款募捐事宜。1月12日，同乡会提出5项具体的救灾措施：①通电各省长官公团及各种赈灾团体，报告灾情，要求协助；②复电张广建，赞成扣留烟、酒、盐各项税款，办理急赈；③推定干事郑澹等人向府院接洽，要求速拨赈款以救灾黎；④电请在籍巨绅刘尔炘，速将彼所保管的公益存款拨付数万，就近赈济；⑤通电各县询问震灾情形。
1月20日，同乡会致电马福祥，要求将在宁夏扣留萧山道尹孔宪庭之黄金8000两、烟土千余两，概行没收，拨付赈灾；致电中央政府认甘肃为被灾省份之一，于已经筹得的400万赈款内拨付若干，并陈请任命刘尔炘为甘肃赈务会办。
甘肃震灾救济会在京主要担负甘肃省的赈灾任务，负责募集和发放赈灾款项。甘肃震灾救济会由当时的风云人物黎元洪、曹锟、张作霖、阎锡山、吴佩孚及平民慈善家熊希龄等84人发起并组成，具体工作由所属4个股承担，通过电话与全国各地联络，呼吁各界踊跃捐款。甘肃震灾救济会将所有捐献者的名字在报纸上公布，捐献者中有社会名流、政要、教育名家、工商界人士，以及广大学生、普通民众。
甘肃震灾救济会募捐成效显著，自1921年1月1日至12月31日，共收到捐款大洋3万零932元1角、国库券15元、有利国库券22元、京钱160大串，共出汇大洋3万零943元7角6分8厘。所捐款项账目清楚，分配有力，缓解了甘肃救灾的压力。甘肃震灾救济会干事长柴春霖与国际统一救灾会关于救助甘肃震灾事项进行了联络，国际统一救灾会欣然应允救助，并派人员赴灾区考察灾情。救灾会人员在调查中拍摄了大量的地震照片和纪录片，并在北京进行展示，当时报纸也登载了此消息。可见，甘肃震赈灾救济会在呼吁国际救济甘肃过程中，起到了很好的作用。
甘肃有名的绅士刘尔炘在地震救灾中功不可没。他亲自主持救灾，发起社会募款，开仓施粥，挽救了不少人的性命。其赈灾的过程及当时各方的情况，在其所写《辛壬赈灾记》中有详细记载。其文记载了各地方绅士设立赈灾处的情况、各方不同的救灾方式，对来甘肃的各省捐助金额，以及这些款项发放于地方多少及用途等都有详细记载，确保了赈灾款项用途的公开化和透明化。据刘尔炘记载，在灾后的27天中，经各方努力，共捐善款将近30万两。
另一个功不可没的是华洋义赈会。作为当时最大的民间慈善组织，它成立于1920年北方五省的持续旱灾后，初期是散布在各地的救灾组织。1921年11月16日，全国各地华洋赈灾团体在上海集会，宣布成立“中国华洋义赈救灾总会”（简称“华洋义赈会”）。
本着“建设救灾”的理念，1931年春，华洋义赈会采取以人工代赈的方法，组织沿线民工修建了全长772千米的西兰公路。西兰公路的修通，对海原地震区的发展，以至于陕西与甘肃的发展都起到了不可磨灭的作用，对于西北地区的交通发展有着里程碑的意义。
华洋义赈会的赈款来源以国内外捐款为主，其中国外捐款占绝大部分。华洋义赈会的工赈方式主要有修筑公路、修渠治河、掘井抗旱等。
1920年海原大地震发生时，鲁迅身在北京，他在日记中记下了这样的一笔：“夜地震约一分时止。”寥寥8个字，记下的是当时北京感受到的地震，据称竟然成了海原大地震在北京最早的文字记录。我们应该这样理解，这是作为地质学家，而不是文学家写下的8个字。
