關于西湖生成的原因，古代有關書籍記載都較簡略。明朝《西湖游覽志》卷一載："西湖三面環山，溪谷縷注，下有淵泉百道，潴而為湖。"近代學者從地形、地質、沉積及水動力學等方面進行了考證，其中較為普遍的觀點認為西湖是由海灣逐漸演變而生的一個西湖。民國九年(1920年)，科學家竺可楨考察西湖地形后發表了《杭州西湖生成的原因》，其稱："西湖原是錢塘江左邊的一個小小灣兒，后來由于錢塘江泥沙沉淀下來，慢慢地把灣口塞住，變成一個��湖。"竺可楨還從沉積率推斷，西湖開始形成年代距今一萬二千年前。竺氏認為西湖形成之初，后由于三面山區中的溪流注入，所挾沙逐漸填充西湖，湖面隨之逐漸縮小，倘若沒有歷代的不斷疏浚，西湖早已湮廢。1924年，地質學者章鴻釗發表《杭州西湖成因一解》，對竺氏的觀點又進行了補充：西湖之成，其始以潮力所向而積成湖堤，其繼以海灘變遷而維持湖面，二者為形成西湖之重要條件。

但是，西湖說在現代科學考察中受到了懷疑。1950年以后，地質部門對西湖湖中三島和湖濱公園地質鉆孔取樣分析，認為距今一億五千萬年的晚侏羅紀時，以今湖濱公園一帶為中心，曾發生過一次強烈的火山爆發，寶石山和西湖湖底(大部分)堆積下大量火山巖塊，由此，曾出現火山口陷落，造成馬蹄形核心低洼積水，即西湖雛型。1979年，地質工作者對湖濱鉆孔采取的巖樣作微體古生物分析后著文認為，根據不同化石的組合，西湖的形成過程可劃分為早期��湖、中期海灣、晚期��湖三個階段，隨著錢塘江沙坎的發育，西湖終于完全封閉，水體逐漸淡化，形成近代的西湖。

西湖周圍的群山，屬于天目山余脈。根據巖性差別和山勢高低，可分為內、外兩圈。外圈有北高峰、天馬山、天竺山、五云山等，屬高丘陵地形，山體主要由志留、泥盆紀巖屑砂巖、石英砂巖構成，巖性較堅硬，不易風化侵蝕。峰巒挺秀，溪澗縱橫，流水清洌，是西湖泉水最多地帶。內圈有飛來峰、南高峰、玉皇山、鳳凰山、吳山等，山勢較低，屬低丘陵地形。山體均為向斜山地，主要由石炭、二迭紀石灰巖構成，易受水流溶蝕，形成了煙霞、水樂、石屋、紫來、紫云等溶洞。內圈的群山，除巖溶丘陵外，還有橫亙西湖北緣的葛嶺、寶石山，由火山碎屑巖組成，海拔在百米左右。