洞庭湖屬揚子準地台江南地軸上的斷陷盆地，形成於燕山運動，延續至喜馬拉雅運動。白堊紀為盆地發展擴大時期，第四紀以來，洞庭湖拗陷盆地在新構造運動作用下，再次全麵下沉，接受沉積，成為湖南省第四紀分布最廣、厚度最大、沉積層序最全的地區。存在4次以上凹陷成湖、凸起成陸的演化過程，相應凹陷盆地解體，形成斷拗盆地。早更新世早期，在目平湖、澧縣、沅江等凹陷成湖，中期湖侵擴大到漢壽、鼎城、安鄉、湘陰等地，出流由安鄉經澧縣凹陷排入長江，末期凹陷轉為緩慢上升，湖泊萎縮一部分成陸。早更新世晚期，目平湖與沅江兩凹陷相連，湖盆擴大。赤山凸起成為兩湖間的孤島，湖水從南縣、鯰市、藕池口排入長江，為第四紀湖麵最大的興盛時期。隨著湖盆轉為上升為主，湖水退卻，出現洞庭湖平原地貌景觀。中更新世，洞庭湖盆地發育為河網交織的湖沼盆地，澧縣、目平湖和沅江至湘陰的沉積體係。此時，湖水有兩處出口，一處由嶽陽君山經廣興洲入長江，另一處由安鄉佘家台經澧縣進入江漢盆地。晚更新世，目平湖凹陷和沅江至湘陰凹陷部分地區再次活化沉降，並在赤山西部形成常德、安鄉河湖盆地和東部臨資口、黃茅洲和北大市河湖盆地，但其它範圍已大為縮小，形狀複雜，湖水由南向北流，並在團山附近有東、西水係彙合，在石首一帶注入長江。發展到全新世後期，整個湖盆為河網交錯的洞庭平原，當時在君山西南側有一方圓130平方公裏的小湖。
先秦之後，雲夢澤逐漸解體，江湖關係轉變，直接影響到洞庭湖的演變。漢晉以來，長江流域人口逐漸增長，墾殖活動強度增大，自然植被受到破壞，長江的含沙量開始增高。隨著荊北雲夢澤的逐漸淤塞，荊江河床自動調節抬高，加上受西北-東南方向新構造掀斜運動的影響，荊江主泓道逐漸向南擺動。東晉永和年間，荊江南岸形成景口、淪口二股分流彙合成淪水進入洞庭湖。洞庭湖由於承納兩口分泄之江水江沙，湖泊的淤積過程開始加速，形成大小不一的湖群。唐宋時期，荊江統一河床的形成，使邊界條件發生重大變化。隨著荊江堤防不斷修築，江麵束狹、泄洪不暢，洪水位開始抬升，江水頂托倒灌機率增大，每當大洪水通過荊江段常形成決口，\\\"九穴十三口\\\"形成。穴口大量分流長江洪水，使洞庭湖呈現明顯擴漲之勢，湖盆向西、向南伸展，南連青草、西吞赤沙，水域麵積擴大。形容湖水波瀾壯闊的\\\"八百裏洞庭\\\"一詞便開始在這一時期的詩文典籍中出現。隨著水域擴展，使原來在漢晉時期彼此支離的洞庭、青草、赤沙3個湖泊在高水位時得以連成汪洋一片。由於受長江來水的影響越來越大，洞庭湖洪水過程也相應發生顯著變化，由唐宋以前以\\\"春溜滿漲\\\"為主逐漸轉變為以\\\"夏秋水漲\\\"為主，洪水特征除由四水注入的\\\"桃花汛\\\"之外，長江夏秋水漲的洪水特征已突現出來，使湖泊的洪水過程在年內變化由原來的單峰型轉變為明顯的雙峰型。
宋代以後，荊江河床不斷為泥沙淤積，洪水位持續抬升，使魏晉時原\\\"湖高江低、湖水入江\\\"的江湖關係逐漸演變為\\\"江高湖低、江水入湖\\\"的格局，洞庭湖水浸日益嚴重。元、明、清三朝，隨著荊江堤防的不斷修築和穴口的時決時塞，江患加劇，荊江潰堤、湖區潰垸頻繁。江湖關係開始緊張起來，說明從宋代開始，江湖關係開始發生曆史性變化，人為因素成為江湖關係變異的不可忽視的因素。
明嘉靖之後，中央政府采取\\\"舍南救北\\\"的治水方針，荊江北岸穴口盡堵，南岸保留太平、調弦二口與洞庭湖勾通。清代仍繼續沿襲明朝的消極治水方針，在長江來水有增無減的情況下，一遇洪水則湖水泛濫四溢、向外擴展已成必然之勢。西洞庭湖和南洞庭湖就是在這一背景下逐漸擴大起來的。這一時期洞庭湖的範圍，\\\"每歲夏秋之交，湖水泛濫，方圓八九百裏，龍陽、沅江則西南之一隅。\\\"說明唐宋時期洞庭湖在西吞赤沙湖之後，向西南又有了迅速的發展。迄至清代中期以前，洞庭湖仍繼續呈擴漲之勢，到道光年間，為洞庭湖自先秦以來擴展至鼎盛時期。道光《洞庭湖誌》記載它的範圍是:\\\"東北屬巴陵，西北跨華容、石首、安鄉，西連武陵、龍陽、沅江，南帶益陽而環湘陰，凡四府一州，界分九邑，橫亙八九百裏，日月若出沒其中。\\\"可見洞庭湖自魏晉南北朝之後是逐步\\\"回春\\\"的。由魏晉時期的五百餘裏到唐宋之際的七、八百裏，繼而又發展到清中葉的八九百裏，湖水波濤可直拍嶽陽、華容、漢壽、沅江、湘陰等縣城，君山、艑山、層山、寄山、團山、磊石山、赤山、墨山等均成為兀立湖中的島嶼。洪水時節，洞庭湖水域麵積超過6000平方公裏。