北美五大湖形成於7000～32000年前，由更新世冰川退縮而逐步形成。更新世冰期前，大湖區為東西向水系。冰期時冰川作用使河谷加寬加深。更新世最後一次冰川退卻時，本區南岸留下終磧壟，聖勞倫斯河下游地區仍為冰川覆蓋，其間大片水域被堵，寬淺河谷成為湖盆，形成大湖雛形。一般認為，伊利湖約在1萬年前已具今規模 ，安大略湖形成於7000年前，其餘3湖均形成於3000年以前。　　湖面高程自西向 東呈階梯式下降 ：蘇必利爾湖與休倫湖水位相差7米 ，形成多急流的聖瑪麗斯河 ；密歇根湖和休倫湖水位相平，之間由麥基諾水道相連；休倫湖與伊利湖水位相差2米 ，其間形成聖克萊爾河急流 ；伊利湖比安大略湖水位高99米，其間形成尼亞加拉河急流，其一半處形成落差50.9米的世界著名大瀑布——尼亞加拉瀑布，最後湖水經安大略湖口進入聖勞倫斯河後注入大西洋的聖勞倫斯灣。最深的是蘇必利爾湖 ，最大深度406米 ；最淺的是伊利湖，最大深度僅64米；其餘3湖最大深度均在200米以上。　　湖水主要靠降水補給，並接納許多小河，水量豐富，安大略湖入聖勞倫斯河處年均流量6640立方米／秒。夏季水位較高，冬末春初較低 。夏季湖面水溫16～21℃ ，冬季0℃以下 ，結冰期4個多月 。五大湖對周圍湖區氣候具有明顯調節作用，使其溫和溼潤，無霜期長，有利於農業。農、林、果、漁均很發達，為北美洲內陸漁業主要集中區，主產湖鱒、白魚、湖鯡等。

五大湖的湖盆主要由冰川刨蝕而成。第四紀冰期時，五大湖地區接近拉布拉多和基瓦丁大陸冰川中心，冰蓋厚2，400米，侵蝕力極強，原有低窪谷地的軟弱岩層逐漸受到冰川的刨蝕，擴大而成今日的湖盆。當大陸冰川后退時，冰水聚積於冰蝕窪地中，便形成五大湖的水面。