▲矗立於萬子湖中的鎮江塔。先秦漢晉—南宋—明清時期洞庭湖範圍示意圖。
以人類文明的發生為界，地球分為兩個時期：一是地史時期，二是歷史時期。人類文明的標誌是文字的使用，人類未使用文字前算地史時期；人類使用文字後則為歷史時期。這兩個時期洞庭湖都經歷了由小而大，又由大而小，再由小而大的反覆演變。文、圖/童潛明（原湖南地質研究所總工程師）
地史時期，第四紀晚更新世的洞庭跟現在一致
洞庭湖在地史時期的演化主要依據兩點來確定：一是歷年來在湖域內所進行的礦產、水文、環境等的研究和勘查時施工的鑽孔。如1989年，由原湖南省地礦廳水文地質工程地質二隊對洞庭盆地第四紀進行研究，在第四系地層中施工了326個鑽孔，總共鑽進長度達90608．61m；二是按洞庭湖地質圖各個地層的出露範圍。從以上兩方面的資料，精心調繪各個地質時期洞庭湖的範圍和沉降深度，得出了地史時期，洞庭湖大、小反覆演變的結論。
在早白堊世（公元前1.5億—1.0億年）時，洞庭湖為東、西兩個獨立的湖域。東部在汨羅一帶，沉積厚度近900m；西部在桃源—石門一帶，沉降中心在桃源，沉積厚度達2276m。此時洞庭湖是相對萎縮時期。到晚白堊世（公元前1.0億—0.65億年）時，洞庭湖為4個獨立湖域。北部為石門—澧縣湖及安鄉—南縣小湖，沉積厚度最厚處有1120m，此時可能北延與江漢湖盆溝通；南部在常德—桃源—蒙泉一帶，沉積中心在桃源，最厚處有3030m；東部早白堊世的汨羅小湖大大擴展，沉積厚度最厚處1100m。此時是相對擴大時期。
在第三紀（公元前6500萬—260萬年）時，洞庭湖分布在南部，自西而東為常德、沅江、汨羅三個湖域，其中沅江沉積厚度最厚達2000m，有油氣產出。此時為相對萎縮時期。在第四紀早更新世（公元前260萬—78萬年）時，長江已成由青藏地區直入東海的大江，洞庭湖是通江湖泊，由三片湖域構成，西部湖域大致保持了第三紀湖泊範圍，東部湖域則不斷擴大，基本上相當於現在的洞庭湖範圍，且北入長江與雲夢澤相連。此時為相對擴大時期。
在第四紀晚更新世（公元前12.8萬—1.1萬年）時，洞庭湖湖域大大縮小，成為枝杈狀，西北部已不與雲夢澤相接，但東北部與雲夢澤相通，基本上與現在洞庭湖一致。此時為相對萎縮時期。第四紀全新世（公元前1.1萬年以來），晚更新世到全新世洞庭湖湖域面積不斷擴大成為大湖，北部與雲夢澤相接。
歷史時期，「八百裡洞庭」見諸唐宋詩文
洞庭湖湖域的確定主要依據有三：一是按文化遺址分布推測；二是按古書記載推測；三是實測調繪。清康熙帝聘請了外國傳教士雷孝思等測繪人員，第一次大規模進行全國大地測量，共測繪641個經緯度基點，其中湖廣地區54個。
新石器時期大溪期（公元前4400—前3300年），洞庭湖文化遺址分布區向洞庭湖中心靠，說明湖域在變小。新石器時期屈家嶺時期（公元前3300—前2600年），洞庭湖文化遺址只分布在洞庭湖北部邊緣地區及湖中心安鄉一帶，當時湖域較大，其中心有湖島。
先秦時期（約公元前2200年），《莊子·天運》記載：「帝張鹹池之樂於洞庭之野」，「帝」指舜帝，「野」即平原，可見當時洞庭地區為河網切割的平原地貌。唐宋時期（618—1271年），洞庭湖湖域進一步擴大，由南北朝時期的四、五百裡擴大到七八百裡。「八百裡洞庭」一詞見諸唐宋詩文中，《全唐詩》卷八百四十九有詩句：「周極八百裡，凝眸望則勞」。元明清時期（1271—1820年），洞庭湖湖域繼續擴大，由唐宋時期的七八百裡擴大到八九百裡。《讀史方輿紀要》記載：「南北之間湖闊二百裡，東西之間湖闊二百五十裡，周回八九百裡」。
在1897年，洞庭湖縮小，南洞庭湖赤山和磊石山一線以南變為河網化平原。此時期湖域範圍數據比較確切，洪水期面積約5120平方公裡，枯水期面積約1800平方公裡。到1949年，東、西洞庭湖嚴重萎縮，過去的湖沼已成為垸田，但南洞庭湖有所擴大，原來的河網平原連成浩渺大湖，使古建築或淹沒於水下，如沅江茶盤洲鎮六合村的3米餘高的石碑已沒入水下達兩米；或埋於泥沙中，如沅江黃茅洲鎮據說楊么曾屯過兵的「子母城」，其街道已埋於地下3米多；或矗立於湖中，如1782年所建鎮江塔現矗立於萬子湖中。到1998年，洞庭湖水域嚴重萎縮，東洞庭湖西部和西洞庭湖大部已墾為垸田，但南洞庭湖似有擴展。
洞庭湖湖域的大小變化在地史時期完全是自然作用的結果，即是地殼運動的結果。洞庭湖的地殼運動總體處於沉降狀態，但沉降幅度有大小的變化，沉降幅度大時，洞庭湖擴大；沉降幅度小時，洞庭湖萎縮。在歷史時期，洞庭湖大小除了自然作用外，還有人為作用。
雲夢澤不過長江不是洞庭湖
從古到今，很多人認為雲夢澤橫跨長江南北，或洞庭湖就是雲夢澤。其實這種觀點是錯誤的。
雲夢，乃是先秦時期楚國君王狩獵之地。由於先秦古籍多以澤藪作述，澤藪即湖澤。後世以雲夢澤為記，有洞庭湖屬於雲夢澤之說。唐孟浩然「氣蒸雲夢澤，波撼嶽陽城」的詩句，乾脆就將雲夢澤當成洞庭湖了。
雲夢澤在我國地理方面的古籍有不同的記述。如《水經注·夏水篇》卷三十二有「監利縣埠下，澤多彼地，西南自江陵東界，逕於雲杜（京山縣附近）沌陽（漢陽之西），為雲夢之藪矣」，由此可知當時的雲夢澤從江陵直至武漢，其東西寬幾乎包括了整個江漢平原。現在湖北還有很多地方稱雲夢，如沮水雲夢（湖北當陽市）、邙地雲夢（湖北雲夢縣）、江南雲夢（湖北枝江市）。
復旦大學張修桂教授在《中國歷史地貌與古地圖研究》（2006）一書中對雲夢澤有一段論述：先秦時期江漢地區的平原有兩大片，分布在雲夢澤的東西兩端。西部平原以沙市為頂點的荊江陸上三角洲；東部平原是城陵磯至武漢的長江西側的泛濫平原。因此，西秦時期著名的雲夢澤主體，僅僅局限在這東西兩大平原之間，南止於長江，北與漢水溝通。
從地質構造看，雲夢澤與洞庭湖應各為獨立湖，因為北為江漢盆地，南為洞庭盆地，兩盆地之間為華容隆起。故北之雲夢澤和南之洞庭湖都為華容隆起所阻，除了個別低凹地有水相通外，整體未連，不能成為跨長江的水體。故云夢澤對洞庭湖的大小也就沒有什麼影響。