西湖最早称武林水。《汉书·地理志》：“钱唐，西部都尉治。武林山，武木水所出，东入海，行八百三十里。”后又有钱水、钱唐湖、明圣湖、金牛湖、石函湖、上湖、潋滟湖、放生池、西子湖、高土湖、西陵湖、龙川、销金锅、美人湖、贤者湖、明月湖诸般名称。至今，为历代普遍公认，并见诸于文安记载的名称有二，一是因杭州古名钱塘，湖称钱塘湖；一是因湖在杭城之西，湖名西湖。北宋以后，名家诗文大都以西湖为名，钱塘湖之名逐渐鲜为人知。

        西湖的形成，古代有关书籍记载都较简略。如旧称，汉郡议曹华信筑塘，江湖始分。明代《西湖游览志》卷一载：“西湖三面环山，溪谷缕注，下有渊泉百道，潴而为湖。”近代从地形、地质、沉积及水动力学等方面考证，产生几种说法。一说是西湖本是海湾，随着水流挟带的泥沙在海湾南北两岬角处堆积，逐渐延伸、连接成沙坝，使海湾与大海完全隔绝，形成泻湖；再经过历代不断疏浚、保护、建设，始成风景湖泊。又有一说是西湖的前身不是一个由湾口沙坝所封闭的典型泻湖。民国9年(1920年)，我国著名科学家竺可桢考察西湖地形后著文称：西湖原是钱塘江左边的一个小小湾儿，后来由于钱塘江泥沙沉淀下来，慢慢地把湾口塞住，变成一个礁湖。竺可桢从沉积率推断，西湖开始形成年代距今一万二千年前。竺氏认为西湖形成之初，面积要比现在大，后由于三面山区中的溪流注入，所挟沙逐渐填充西湖，湖面随之逐渐缩小，倘若没有历代的不断疏浚，西湖恐怕早已湮废。13年，学者章鸿钊补充竺文称：西湖之成，其始以潮力所向而积成湖堤，其继以海滩变迁而维持湖面，二者为形成西湖之重要条件，西湖开始形成时的湖面涨落，受潮汐控制。

        1950年以后，地质部门对西湖湖中三岛和湖滨公园地质钻孔取样分析，认为距今一亿五千万年的晚侏罗纪时，以今湖滨公园一带为中心，曾发生过一次强烈的火山爆发，宝石山和西湖湖底(大部分)堆积下大量火山岩块，由此，曾出现火山口陷落，造成马蹄形核心低洼积水，即西湖雏型。1979年，地质工作者对湖滨二个钻孔采取的岩样作微体古生物分析后著文认为，根据不同化石的组合，西湖在全新世时期的发育可划分为早期泻湖、中期海湾、晚期泻湖三个阶段，随着钱塘江沙坎的发育，西湖终于完全封闭，水体逐渐淡化，形成现在的西湖。

        西湖湖床历经多次变迁，面积逐渐缩小。最早见之于文字记载的唐代白居易《钱塘湖石记》：“钱塘湖一名上湖，周围三十里。”以后，五代钱鏐《建广润龙王碑》记：“钱塘湖者，西临灵隐，东枕府城，澄千顷之波澜，承诸山之源派……，况镜水清流，烟波浩渺，其湖周百余里，其派数十余川。”宋代苏轼在《杭州乞度牒开西湖状》中称：“臣通判杭州，湖之葑合者盖十二三耳，而今十六七年之间，遂湮塞其半……，半年之间，目见西湖复唐之旧，环三十里，际山为岸。”旧志记茅家步(埠)之名，宋代已有，应在水际。跨虹桥通耿家步，在仙姑山下。慈云岭下方家峪之地，舟楫可过长桥直达，长桥内，湖水一征汪洋。元代志书记：“有元一代，尝开候潮门以南运河及龙山河，而守令治西湖者无人，湖遂废而不治。” 明代《成化杭州府志》载：“明初，西湖仍元之旧。西湖以山为岸者，去山日远……。六桥之西悉为池田桑埂，里湖两岸亦然，中仅一港通酒船耳。孤山路南，东至城下，直抵雷峰塔，迤西皆然。”正德三年(1508年)，郡守杨孟瑛锐情恢拓，拆毁西湖内的田荡3481亩，自是西湖始复唐宋年间旧观。清代雍正年间编纂的《西湖志》载：“康熙三年丈入鱼鳞图册者计442亩，未经丈入鱼鳞图册者计218亩，现(注：指雍正九年)存湖址22.4里有奇，通计坦克外湖面11315亩，淤浅埂沙葑滩共3122亩。”乾隆二十二年(1757年)，浙江巡抚杨廷璋实查西湖湖址为21.2里。光绪年间实测，西湖周围21里，南北袤5里，东西广3.5里。民国9年( 1920年)，《全浙公报》载：“水利委员会奉令实测西湖，结果计全湖面积11，196亩(苏、白两堤点1133亩；三潭印月、湖心亭、阮公墩占119亩)，又周围线长23华里强，较旧志载里程约少6至7里。”民国37年(1948年)，《民国杭州市新志稿》载：“西湖周围30余里，面积约占12平方里……。东曰外湖，西曰里湖；里湖之北，以金沙堤分小部为岳湖，南以屿地分小部为小南湖；外湖之北，以白堤分小部为后湖。”1950年后，杭州市人民政府对西湖进行详细测量，据浙江省测绘局杨彬镛《西湖面积小考》载：“西湖环湖一周(长桥至花港观鱼间，沿南山路，其余沿西湖水涯线)长12.96公里，面积约5.6平方公里。”1984年，《园林文物统计年鉴》载：“西湖面积5.68平方公里，其中外湖4.43平方公里，北里湖0.35平方公里，岳湖0.07平方公里，西里湖0.745平方公里，小南湖0.085平方公里。西湖周边，长15.225公里。”