Геологическая история Каспийского моря связана со всей историей наших южных морей. Некогда Сарматское море в миоцене, то-есть менее 13 миллионов лет тому назад, объединяло в один бассейн пространство от нынешней Вены до Аральского моря. Наступившие поднятия сократили площадь огромного моря. Прервалась связь со Средиземным морем. После образовалось Понтическое озеро-море, которое было сильно опреснено. В конце этого времени значительные поднятия суши разъединили Понтическое море на бассейн Черного моря и Каспий. С тех пор Каспий «зажил» отдельным бассейном, без широкой связи с Черным морем. Примерно более 5 миллионов лет тому назад Каспийское море было небольшим. Это было озеро, располагавшееся в южной котловине современного Каспия. Его называют Балаханский бассейн. Сюда текли воды Волги, Самура, Куры и Аму-Дарьи. На дне этого моря образовались отложения с мощными запасами нефти. Наибольших размеров Каспий достигал около 3–4 миллионов лет тому назад, в так называемое акчагыльское время.
Акчагыльский бассейн простирался вдоль Волги далеко на север, вплоть до устья Камы и даже до Белой. В этих условиях северная фауна могла проникнуть в Каспий. По Манычу Акчагыл соединялся с Черным морем. На востоке Каспий далеко вдавался в песчаную пустыню Кара-Кумы. Под водами Акчагыльского моря была Куринская низменность и значительные территории Западной Туркмении. Соленость Акчагыльского моря приближалась к морской, а его фауна была близка к сарматской.
1–2 миллиона лет тому назад море стало сокращаться. Образовавшийся Апшеронский бассейн был менее Акчагыла, но больше современного Каспия.
Последующая история Каспийского моря относится уже к четвертичному периоду, когда в нем появилась фауна, близкая современной.
В начале четвертичного периода после сокращения моря наступило новое расширение его границ. На месте Каспия располагался Бакинский бассейн, значительно более обширный, чем современный. По Кумо-Манычской впадине он соединялся с Чаудинским морем, занимавшим впадину современного Черного моря. Уровень Каспийского и Черного морей был одинаковым и стоял довольно высоко. Воды Черного моря вливались через долины Босфор и Дарданеллы в Средиземное море.
Позднее уровень Средиземного моря повысился, и по тем же долинам его воды вторглись в Черное море.
В конце бакинского и последующее время (хозарское) в Каспий впадала река Пра-Аму-Дарья («Пра» означает — древняя), протекавшая по низменной части Кара-Кумов, там, где сейчас расстилаются безбрежные просторы песчаной пустыни. Впоследствии эта река повернула на север и затопила впадину современного Аральского моря. Избыток речных вод устремился в обширную Сарыкамышскую впадину, а из нее в виде новой реки — Узбоя — на юг и юго-запад, к Каспию. Это было в так называемое хвалынское время, когда на смену сократившемуся морю пришел обширный Хвалынский бассейн.
В раннехвалынское время уровень моря повысился очень сильно и был на 70–75 метров выше современного; затем уровень понижался довольно неравномерно, и Узбой, следовавший за отступавшим морем, прорезал долину почти до того места, где сейчас расположен город Красноводск.
Хвалынское море было более опреснено, чем современный Каспий, так как многочисленные реки несли в него талые ледниковые воды.
После сокращения Хвалынского бассейна возникло Ново-Каспийское море, близкое по своим условиям и фауне современному. Это относится уже к началу исторического времени, отстоящего от нас на 2–3 тысячи лет.
Расширение и сужение древнего Каспия, смена одного бассейна другим и связанное с этим развитие своеобразной фауны моря объясняется различными причинами. Ранее оно было связано с поднятием и опусканием земной коры на юге нашей страны, с начала четвертичного времени с развитием великих оледенений на Русской равнине и на прилегающих к морю горах. Таяние ледников повышало уровень моря.
В наше время климатические изменения в районе как самого моря, так и в его обширном бассейне остаются главной причиной колебания уровня Каспийского моря. С поверхности Каспия испаряется в год более 400 кубических километров воды. Это равно слою воды толщиною почти в 90 сантиметров. Соотношение между притоком пресных вод и испарением с поверхности моря все время меняется.
Уровень современного Каспия почти на 28 метров ниже уровня океана.
Около 100 лет тому назад уровень моря был более чем на 3 метра выше современного. Известны также и значительные падения уровня. Особенно низко стоял Каспий в VI веке: он был на 4 метра ниже современного. В некоторых районах на дне Каспия видны затопленные леса и различные постройки.