洞庭湖属扬子准地台江南地轴上的断陷盆地，形成于燕山运动，延续至喜马拉雅运动。白垩纪为盆地发展扩大时期，第四纪以来，洞庭湖拗陷盆地在新构造运动作用下，再次全面下沉，接受沉积，成为湖南省第四纪分布最广、厚度最大、沉积层序最全的地区。存在4次以上凹陷成湖、凸起成陆的演化过程，相应拗陷盆地解体，形成断拗盆地。早更新世早期，在目平湖、澧县、沅江等凹陷成湖，中期湖侵扩大到汉寿、鼎城、安乡、湘阴等地，出流由安乡经澧县凹陷排入长江，末期凹陷转为缓慢上升，湖泊萎缩一部分成陆。早更新世晚期，目平湖与沅江两凹陷相连，湖盆扩大。赤山凸起成为两湖间的孤岛，湖水从南县、鲇市、藕池口排入长江，为第四纪湖面最大的兴盛时期。随着湖盆转为上升为主，湖水退却，出现洞庭湖平原地貌景观。中更新世，洞庭湖盆地发育为河网交织的湖沼盆地，澧县、目平湖和沅江至湘阴的沉积体系。此时，湖水有两处出口，一处由岳阳君山经广兴洲入长江，另一处由安乡佘家台经澧县进入江汉盆地。晚更新世，目平湖凹陷和沅江至湘阴凹陷部分地区再次活化沉降，并在赤山西部形成常德、安乡河湖盆地和东部临资口、黄茅洲和北大市河湖盆地，但其它范围已大为缩小，形状复杂，湖水由南向北流，并在团山附近有东、西水系汇合，在石首一带注入长江。发展到全新世后期，整个湖盆为河网交错的洞庭平原，当时在君山西南侧有一方圆130平方公里的小湖。
先秦之后，云梦泽逐渐解体，江湖关系转变，直接影响到洞庭湖的演变。汉晋以来，长江流域人口逐渐增长，垦殖活动强度增大，自然植被受到破坏，长江的含沙量开始增高。随着荆北云梦泽的逐渐淤塞，荆江河床自动调节抬高，加上受西北—东南方向新构造掀斜运动的影响，荆江主泓道逐渐向南摆动。东晋永和年间，荆江南岸形成景口、沦口二股分流汇合成沦水进入洞庭湖。洞庭湖由于承纳两口分泄之江水江沙，湖泊的淤积过程开始加速，形成大小不一的湖群。唐宋时期，荆江统一河床的形成，使边界条件发生重大变化。随着荆江堤防不断修筑，江面束狭、泄洪不畅，洪水位开始抬升，江水顶托倒灌机率增大，每当大洪水通过荆江段常形成决口，“九穴十三口”形成。穴口大量分流长江洪水，使洞庭湖呈现明显扩涨之势，湖盆向西、向南伸展，南连青草、西吞赤沙，水域面积扩大。形容湖水波澜壮阔的“八百里洞庭”一词便开始在这一时期的诗文典籍中出现。随着水域扩展，使原来在汉晋时期彼此支离的洞庭、青草、赤沙3个湖泊在高水位时得以连成_一片。由于受长江来水的影响越来越大，洞庭湖洪水过程也相应发生显著变化，由唐宋以前以“春溜满涨”为主逐渐转变为以“夏秋水涨”为主，洪水特征除由四水注入的“桃花汛”之外，长江夏秋水涨的洪水特征已突现出来，使湖泊的洪水过程在年内变化由原来的单峰型转变为明显的双峰型。
宋代以后，荆江河床不断为泥沙淤积，洪水位持续抬升，使魏晋时原“湖高江低、湖水入江”的江湖关系逐渐演变为“江高湖低、江水入湖”的格局，洞庭湖水浸日益严重。元、明、清三朝，随着荆江堤防的不断修筑和穴口的时决时塞，江患加剧，荆江溃堤、湖区溃垸频繁。江湖关系开始紧张起来，说明从宋代开始，江湖关系开始发生历史性变化，人为因素成为江湖关系变异的不可忽视的因素。
明嘉靖之后，中央政府采取“舍南救北”的治水方针，荆江北岸穴口尽堵，南岸保留太平、调弦二口与洞庭湖勾通。清代仍继续沿袭明朝的消极治水方针，在长江来水有增无减的情况下，一遇洪水则湖水泛滥四溢、向外扩展已成必然之势。西洞庭湖和南洞庭湖就是在这一背景下逐渐扩大起来的。这一时期洞庭湖的范围，“每岁夏秋之交，湖水泛滥，方圆_百里，龙阳、沅江则西南之一隅。”说明唐宋时期洞庭湖在西吞赤沙湖之后，向西南又有了迅速的发展。迄至清代中期以前，洞庭湖仍继续呈扩涨之势，到道光年间，为洞庭湖自先秦以来扩展至鼎盛时期。道光《洞庭湖志》记载它的范围是：“东北属巴陵，西北跨华容、石首、安乡，西连武陵、龙阳、沅江，南带益阳而环湘阴，凡四府一州，界分九邑，横亘_百里，日月若出没其中。”可见洞庭湖自魏晋南北朝之后是逐步“回春”的。由魏晋时期的五百余里到唐宋之际的七、八百里，继而又发展到清中叶的_百里，湖水波涛可直拍岳阳、华容、汉寿、沅江、湘阴等县城，君山、艑山、层山、寄山、团山、磊石山、赤山、墨山等均成为兀立湖中的岛屿。洪水时节，洞庭湖水域面积超过6000平方公里。