洞庭湖盆地是燕山運動形成、喜馬拉雅運動延續的斷陷盆地。盆地東部為幕府山隆起，西部為武陵隆起，北部為華容隆起，西南部為雪峰隆起。在盆地形成之前，武陵期和雪峰期是本區最古老的構造運動，形成了本區的褶皺基底。本區加裏東期和印支期構造表現為東強擠壓褶皺，西強隆起。華力西時期的特點是該地區的上升和下降運動。這些運動的疊加和轉化為洞庭盆地的形成奠定了基礎。
早白堊世是湖盆形成的初始階段，形成早白堊世桃園山間盆地。晚期盆地延伸至石門地區。中部的木平湖-華容是該區的主要隆起，東部的嶽陽-湘陰也有小的凹陷。當時氣候炎熱，最大沈積厚度達到2600m，表現為紅色泥巖、粉砂巖、塊狀灰巖、礫質砂巖、礫巖、鈣質砂巖等沈積物。其他廣大地區仍然是隆起和剝蝕區。
中晚白堊世是湖盆發展和擴張階段。起伏不均，盆地自西向東移動，逐漸擴大，自西向東形成壹系列坳陷，主要有安鄉-漢壽坳陷、石門-禮縣坳陷、沅江-湘陰坳陷，其中常德東部和桃源南部沈降最深，成為安鄉-漢壽坳陷和整個洞庭湖盆地的沈降中心。石門-澧縣凹陷北部與江漢盆地直接溝通，太陽山隆起西部與武陵隆起整合形成盆地西部屏障。南部元江-湘陰凹陷向東延伸至寧鄉、汨羅，向南延伸至益陽，西部與安鄉-漢壽凹陷相連。東部的大通湖-路虎線也已沈降並接受沈積，成為元江-湘陰坳陷的北擴部分。凹陷內沈積了上白堊統分水坳組和戴家坪組。隆起區由古生界和元谷峪地層組成。這壹時期，洞庭坳陷盆地基本形成。
喜馬拉雅早期運動以地塊運動為主。其特點是第三紀隆起擴張，坳陷收縮，湖盆萎縮。到第三紀中期，西部坳陷已退到常德-桃源地區，其他地區的多隆已擡升至陸地。安鄉-漢壽坳陷的隆升與原平湖的隆升融為壹體，湖盆東部和南部僅在沅江、湘陰和汨羅地區沈積。沅江-湘陰坳陷是盆地的沈降中心，北部禮縣坳陷明顯縮小，盆地西邊界明顯東移，但仍與江漢盆地在壹起。到第三紀末，湖區地殼全面隆升，遭受強烈風化和侵蝕。洞庭湖流域第壹次大的沈降周期到此結束。從第三紀到第四紀，整個湖盆上升為陸地。因此，整個洞庭盆地在第三紀末結束了從白堊紀坳陷到湖泊形成再到陸地隆升的第壹個構造旋回。
洞庭湖盆地外圍構造以斷層褶皺構造組合為特征，具有變質核雜巖、推覆構造和重力滑脫構造。區內斷裂構造網絡由安化-益陽近ne向斷裂帶和公田-長沙-衡山NE向斷裂帶組成，其褶皺為NE、n NE兩組，壹般為寬、緩、斜、斜褶皺，常形成交錯組合。
2.洞庭湖盆地第四紀演化史。
(1)洞庭湖流域的演變
2.58~2.60 Ma前，第四紀早期盆地地殼又開始不均勻沈降，氣候條件由幹熱轉為暖濕。湖盆區開始形成幾個獨立的小湖盆，即蠡縣湖盆、臨澧湖盆、漢壽湖盆、沅江-湘陰湖盆、廣興洲湖盆。幾個湖盆互不相連，包括太陽山隆起、赤山隆起、華容隆起和名山-君山隆起。大約在2.4 Ma以前，湖盆逐漸擴大，相互連通，同時也與江漢盆地有水力聯系，湖盆總面積從5400km2擴大到9500km2。
約1.78 Ma前，開始時，各湖盆進壹步下沈，範圍擴大，氣候條件明顯向溫濕轉變。但是仍然有寒冷和潮濕的氣候段。後來由於地殼下沈的加深和擴大，湖盆中地殼出現多次起伏，相應沈積了數層礫石和粘土沈積物，使原來的凸起地區如赤山、名山、大成寺、君山等大大縮小，成為湖中孤島，西部的臨澧湖盆也擴大為廣域湖盆，所有凹陷的湖盆相互連接，形成廣闊的洞庭湖流域。湖盆河流縱橫，水系發達。湖水分別從華容隆起的東西兩側流入北部的江漢盆地。此時，流域面積已達17500km2。
約0.78 Ma前，由於壹次全球磁極反轉，湖區經歷了壹次較大的地殼隆升，造成了第四紀更新世早期和中更新世沈積物的不連續，全區沈積地層出現了明顯的不整合接觸，如長沙早更新世汨羅組和中更新世新開鋪組的不連續沈積。汨羅組上部粘土層形成的區域大部分缺失(可能是隆升後期的侵蝕和沖刷造成的)。中更新世新開鋪組底部的沈積物直接覆蓋了早更新世汨羅組中下部的礫石和砂層。同時有兩次明顯的古地磁極性反映，即早更新世的負極性和中更新世的正極性，這在該區主要鉆探地層的柱狀體中更為明顯。中央隆起區赤山剖面顯示，早更新世汨羅組上部出現不均勻侵蝕，中更新世早期新開鋪組沈積不發育，僅中部和下部沈積礫石。測年數據還表明，早更新世ESR為0.724 Ma，與中更新世白沙井組底部相差0.496 Ma。這期間，僅新開鋪組就沈積了厚度僅為1 ~ 2m的礫石，長達20多萬年。
0.78 ~ 0.1.28 Ma前為第四紀更新世中期，期間湖盆由更新世中期早期的小面積逐漸擴大到中部，主要向南部和西部延伸。最初，幾乎所有的凸起區域都被湖盆所控制。特別是南部地殼沈降較大，只有北部的廣興洲地區隆起成陸，不接受沈積。它、北部的華容隆起和東部北部的幕府隆起成為這壹時期的地殼隆起區。到這壹時期中期，湖泊面積已達16500km2，湖盆地區除太陽山、赤山、名山、大成寺、桃花山、廣興洲外，均為湖泊。
在這壹時期的末期，大約0.28 Ma前，湖盆又開始萎縮，西、南、東、北上升，原湖中的島嶼與周圍隆起區相連。比如太陽山成為武陵隆起的東延，赤山成為雪峰隆起向北延伸的半島，華容桃花山向東與幕府九嶺隆起相連，湖盆總面積縮小到只有11000km2。泗水的河流雖然還比較發達，主流線特征突出，但比起中期來就遜色了。此時，湖中的水仍從華容隆起的東西兩側流入江漢盆地。
0.128 Ma前，進入第四紀更新世晚期。由於北半球氣候環境的變化和末次冰期的到來，出現了大面積的海退，海平面急劇下降，大陸向海洋延伸，洞庭湖區受其影響，區域地面也有不同程度的升降，所以各個區域的沈降範圍和沈積時期是不同的。安鄉-常德、灣子湖-梁倩湖、沅江-益陽-湘陰、東洞庭湖、東緣、河口地區、北部溧陽平原有大面積。湖盆總面積8000 ~ 1萬km2。接受了相對寒冷和幹燥氣候時期以及相對溫度和濕度之間的冰期時期的沈積物，主要是棕色黃土和砂質沈積物。隨著時間的推移，到這壹時期末期，該地區地殼運動活躍，地面隆升和斷裂運動也頻繁發生，如君山的隆升和湖東岸陡崖的出現，最後湖區全部隆升為陸地。第四紀以來第壹個進退湖的發展歷史結束了。
隨著末次冰期的結束，大陸冰蓋融化，海平面逐漸上升，洞庭湖區進退，湖泊河流沈積發育和氣候環境進入新的歷史階段。從11ka前開始，人類進入新石器時代。在洞庭湖區內，古人生活在廣泛發育的河湖平原上，隨著河湖的變遷而遷徙。隨著湖區地殼的緩慢沈降，在晚更新世湖盆擡升、剝蝕和局部沈降的基礎上，正在進行壹個新的湖泊擴張的地質演化時期。
11ka至(7.5 ~ 8) ka前的第四紀全新世早期，水域主要分布在湖盆中部和泗水中下遊，面積較小，約3000km2。該湖是典型的過水湖泊。澧水從石門向東流至澧縣、天津，向南轉向常德蒿子港後進入湖中心。沅水以西從常德進入東洞庭湖至牛鼻灘、三仙湖。此時的湖區資水和湘江都沒有很好的開發，只在流入東洞庭湖的部分有小面積的水域分布。湖盆主要分布在牛鼻灘、三仙湖、大同湖和東洞庭湖，在廣興洲地區西部進入江漢盆地。
(8 ~ 7.5)至(3 ~ 2.5) Ka為第四紀全新世中期。隨著地殼運動，江漢盆地由北向南傾斜，氣候以暖濕為主，降水越來越多，大量水流入洞庭湖流域。同時，大陸冰蓋融化使海平面全面上升，有些時候甚至高於現在的海平面，湖泊面積逐漸擴大。西洞庭湖的禮縣、進士、安鄉、南縣、漢壽，中洞庭湖的大同湖，東洞庭湖的嶽陽、漂尾、廣興洲、鹿角，南洞庭湖的益陽、湘陰、沅江都是湖泊，河湖沈積廣泛。湖盆中的湖泊面積達到5000 ~ 6000 km2。
洞庭湖的開發從3 ~ 2.5 ka前開始進入人類文明的歷史發展時期，在自然地質作用和人為地質作用的共同作用下，洞庭湖的演變形成了新的格局。
公元前700年至公元400年春秋戰國至先秦兩漢晉時期，《漢書·地理》寫道“響水由北入江，水原入益陽，資水由東北入益陽，澧水由東至下入江”，是四河交匯後入長江的沈降平原景觀。這壹時期的洞庭湖只是方圓的壹個小湖，面積最多只有260英裏。當時長江尚未形成主分流河道，而是通過決口溢出進入洞庭湖流域。到先秦兩漢晉時期(2.2 ~ 1.6 ka前)，洞庭湖北部沈降略有擴大，澧水壹枝入河，壹枝入湖。南朝時期(1.6 ~ 1.4 Ka前)沈降湖面積擴大，不僅四水入湖，而且從江南註入湖中的水量也大大增加，洞庭湖迅速擴大。《水經註》稱之為“洞庭湖五百裏”，湘、子、元、李分別流入此湖。唐宋時期(1377 ~ 716a)，洞庭湖不斷擴大，西至赤沙，南至草地，跨度七八百裏，煙波浩渺，故稱八百裏洞庭湖。由於地殼不斷下沈，洞庭湖深度增加。《元和群縣誌》記載，越州湘陰有“夏秋漲潮，深”明代嘉靖至清代道光時期，湖盆進壹步下沈，洞庭湖向南、向西擴張。據道光《洞庭湖誌》記載，“洞庭湖東北與益陽、還湘陰分屬巴陵、龍陽、沅江，四府壹州九城，跨度八九百裏，日月無處不在”。在此期間，洞庭湖面積可達6000km2。湘、資、沅、澧水的出口都退到了湖盆的邊緣。同時，長江分流的多條水道也增加了洞庭湖的流入量。
據史料記載，早在晉代，大約公元325年，江陵就修築了堤防，開始了圍墾。南宋時，大規模修築堤防。唐宋時期荊江有九分十三分引水，五分南八分北。在逐漸淤塞的前提下，公元1542年，人工封堵了河北岸最後壹個濠點，統壹荊江大堤全面建成。從這個。荊江結束了向南北兩岸分流的歷史，開始只向南岸分流。公元1570 ~ 1684，太平口1675 ~ 1679，荷花池1852決口，1860成河，1679松子口。
洞庭湖在明末清初達到頂峰。根據《洞庭湖誌》(1852)附圖，當時湖面面積達到6000km2。隨著長江入湖和原有的四水入湖，水量和泥沙量急劇增加，大量泥沙沈積在湖底，溢洪道、三角洲和中央灘迅速發育，造成湖底高淤積。雖然這壹時期地殼下沈持續，但泥沙沈積速度遠遠超過沈降速度，大量人工圍墾侵蝕湖區，使得洞庭湖的面積和體積越來越小。洞庭湖面積1896年5400km2，1932年4700km2，1949年4350km2，1998年2579.3km2。
(2)洞庭湖盆地第四紀斷裂和隆升活動的劃分。
洞庭湖流域構造活動頻繁。根據區域地質調查和第四紀遙感綜合解譯資料，洞庭湖流域存在三組第四紀活動斷裂。近南北向斷裂主要有松滋-臨澧-何復斷裂、洪湖-嶽陽-湘陰斷裂、監利-路虎斷裂和赤山西側斷裂。湘江下遊還有控制現代水系的大通-長沙湘江斷裂和湘潭市的易家灣-馬家河斷裂。北東向和北東向斷裂主要有常德-周家店-渡口斷裂；還有學士橋-烈士公園斷裂、天壹嶺-新開鋪斷裂、泉塘子-九華斷裂、下山口-楊家橋活動斷裂、左配塘-下馬嘴活動斷裂、梅林橋-清水塘斷裂和長沙、湘潭石峰-羅政壩活動斷裂南段。北西向斷裂包括長陽-監利-祿口斷裂、南縣-明山頭斷裂、長沙-益陽-常德斷裂和湘潭江舍-湘河口斷裂。
洞庭湖盆地被四條北東向和北西向斷裂所包圍，相對於周圍隆起，整體上屬於沈降區。盆地內斷裂發育，將盆地分割成若幹個塊體(或區域)，在現今構造應力作用下，表現出不同程度的差異起伏。根據構造活動、地層發育和遙感影像特征，將洞庭湖區劃分為5個沈降區:安鄉-白馬寺-東洞庭湖(ⅰ)、官環-華容隆起區(ⅱ)、太陽山-赤山隆起區(ⅲ)、嶽陽-湘陰隆起區(ⅳ)和禮縣-監利沈降區(ⅴ)。安鄉白馬寺-東洞庭湖沈降區(ⅰ)，河流湖泊普遍淤塞。根據不同斷面的沈降範圍，可分為東洞庭湖(ⅰ-1)和白馬寺(ⅰ-2)兩個強沈降區。關環-華容隆起區(ⅱ)河流壹般為沖刷型。