В раннем карбоне образовался Каспийский залив Уральского моря. В карбоне впадина отгородилась от Уральского моря в результате столкновения Скифской плиты с Прикаспийской (Западно-Туранской). После столкновения Восточной Европы с Казахстаном в конце карбона – начале перми с юга, запада и востока впадины возникли горы, поставлявшие обломочный материал в Каспийский бассейн.

Тектоническая схема Каспийского региона

Изоляция Северного Каспия от мирового океана привела в ранней перми к мощному соленакоплению. Интенсивное испарение приповерхностной воды позволяло солям кристаллизоваться, что приводило к  увеличению солености воды и осаждению соли. Из-за тектонических нарушений равновесия эта соль сегодня всплывает на поверхность в виде соляных куполов, прорывая перекрывающие ее более тяжелые слои (песчаники, конгломераты и др.) Соляные купола поднимаются со средней скоростью 1-3см в год и за миллионы лет они прошли путь в километры. Купола похожи на перевернутые капли, причем они часто оторваны от основного слоя соли и всплывают сами по себе. Соляные  «капли» выходя на дневную поверхность размываются, формируя многочисленные солончаки равнины.

В меловом периоде и эоцене Палеокаспийское море океана Тетис заливало пустыни Кызылкум и Бетпакдала и через пролив между Памиром и Тянь-Шанем проникало в Таримскую впадину, а через Тургайский пролив соединялось с Западно-Сибирским морем. Начиная с олигоценовой эпохи палеогена около 30 млн лет назад в регионе Тетиса начался процесс закрытия (сжатия) океана под давлением конвективных течений в нижележащей мантии и, к началу неогена около 23млн лет назад, от океана Тетис остались остаточные морские бассейны – Персидский, Средиземный, Черноморский и Каспийский, связанные между собой проливами.

Тетис в олигоценовую эпоху представлял собой море между Африкой и Евразией с большим архипелагом островов, которые в миоцене станут частью Евразийского материка

14-10 млн лет назад в миоцене на территории от современной Германии до западных отрогов Гиндукуша существовало Сарматское море. Около 10 млн лет назад Сарматское море восстанавливает связь с Мировым океаном в районе пролива Босфор. Этот период получил название Меотического моря.

6 млн лет назад Чёрное и Каспийское море разделились в результате поднятия Кавказа и понижения уровня Средиземного моря. Около 5 млн лет назад Чёрное море соединилось с Каспием заливая при своем максимальном распространении территорию Туркмении, Мангышлака и Устюрта (Понтийское море). В плиоцене, погружение коры Южного Каспия вызвало сильную регрессию Каспийского моря. ЮжноКаспийская котловина вобрала воды Северного и Среднего Каспия – уровень озера в ЮжноКаспийской котловине находился примерно на 200м ниже уровня мирового океана. Волга, значительно удлинив свой путь, впадала в Южно-Каспийское озеро и сейчас на дне в средней части Каспия протягивается каньон длиной около 200км, шириной от 5 до 15км, и глубиной до 600м, вырезанный древней Волгой.
В начале плейстоцена на Каспии произошла длительная тюркянская регрессия с понижением уровня моря доминус 200 м – тогда Каспий заполнял только ЮжноКаспийскую и часть СреднеКаспийской котловин, между которыми существовал мелководный пролив в районе Апшеронского поднятия. Между 3 и 1,8 млн лет назад существовало Акчагыльское море залившее Туркмению, Мангышлак, Устюрт, долину Волги до современного Татарстана и имевшее связь с Черным морем через узкий пролив. Время существования Апшеронского моря от 1,7 до 1 млн лет назад (занимало примерно ту же территорию, что и Акчагыльское море). 500-400 тысяч лет назад происходила бакинская трансгрессия. Около 300 тысяч лет назад – раннехазарская трансгрессия. 250-100 тысяч лет назад – позднехазарская.
17 000 лет назад началась хвалынская трансгрессия с поднятием моря до +50м над уровнем мирового океана с последним в истории переливом каспийских вод в Черноморскую котловину, которая прерывалась ательской (до −140м) и енотаевской (до −110м) регрессией. Хвалынская трансгрессия сменилась около 7 тысяч лет назад мангышлакской регрессией (до −70м).
Трансгрессивно-регрессивный режим Каспийского моря в неоген-четвертичное время в основном связан с колебаниями климата: крупнейшие трансгрессии происходят через некоторое время после начала ледниковых периодов, когда льды становятся мощными источниками воды особенно с началом таяния ледникового щита в конце ледниковья. Сильные регрессии происходят в межледниковые периоды. В засушливые периоды межледниковий регрессии особенно сильны. При детальном рассмотрении изменений уровня моря выясняется, что в холодные периоды были самые обширные трансгрессивные бассейны, а в теплые – малые трансгрессии. Однако в эпоху покровныx оледенений трансгрессии Каспия неоднократно прекращались и наступала холодная регрессия. В фазы межледниковий Каспий находился в регрессивном состоянии. Трансгрессии происходили и в фазы похолоданий внутри межледниковых эпох.

В настоящее время воды Северного Каспия заливают южную часть СевероКаспийской низменности. Эта подводная часть представляет собой чрезвычайно выровненную мелководную равнину с максимальной глубиной 9 метров во впадине Уральская Бороздина.