由于西湖各子湖之间被几道湖堤隔开，仅由堤上的桥孔连通，因此各部分的湖水不能充分混合，形成各湖区水质差异的特点。在近现代，各个湖区的多处水域都处于富养化状态。不过自从1986年开始，西湖与钱塘江沟通后，每天引入钱塘江水约30万立方米，湖水由原先自然状态下的一年一换加快成每月一换，虽然还不能从根本上解决西湖富营养化的问题，但湖水的透明度确实有了很大程度的提高。在21世纪初的综合整治以后，根据西湖风景名胜区环保监测站的检测，到2007年，西湖水体的平均透明度已达到65厘米，比2003年又提高了15.65厘米。
历史上西湖原有五个出水闸口，分别为圣塘、涧水、石函、溜水、流福沟五闸，其中前三闸在钱塘门外、旧昭庆寺西；溜水闸在涌金门北；流福沟闸在清波门学士港处。由于种种原因，后来其他四闸都废了，只剩下东北的圣塘闸，是西湖唯一的出水口。直至21世纪初的西湖综合整治工程中，才又新开了涌金闸等出水口，使湖水的蓄泄得到一定程度的改善。
西湖的底质是由含有机质特别高的湖沼沉积而成，属于粉砂质黏土及粉砂质亚黏土，分为流动层、软泥层和硬泥层（底基层）三层。最上层为藻骸腐泥的流动层（黑色有机质黏土），中层为软泥层，又细分为泥炭层及沼泽土层，最下层为基底粉石砂层。其中流动层和软泥层合起来平均厚度为0.5米左右，泥量达267×104立方米，有机质含量很高。
西湖周围的群山，属于天目山余脉，由西向东逶迤蜿蜒，有似龙翔凤翥，前人有诗咏山势为“天目山垂两乳长，龙飞凤舞到钱塘”之句。这些山峰环布在西湖的南、西、北三面，根据岩性差别和山势高低，可分为内、外两圈。外圈有北高峰、天马山、天竺山、五云山等，属高丘陵地形，山体主要由志留纪、泥盆纪岩屑砂岩、石英砂岩构成，岩性较坚硬，不易风化侵蚀。峰峦挺秀，溪涧纵横，流水清洌，是西湖泉水最多地带。内圈有飞来峰、南高峰、玉皇山、凤凰山、吴山等，山势较低，属低丘陵地形。山体均为向斜山地，主要由石炭、二迭纪石灰岩构成，易受水流溶蚀，形成了烟霞、水乐、石屋、紫来、紫云等溶洞。内圈的群山，除岩溶丘陵外，还有横亘西湖北缘的葛岭、宝石山，由火山碎屑岩组成，海拔都在百米左右，特别是宝石山地貌气势磅礴，石峡陡立壮观，绝壁通幽。周边群山中的吴山和宝石山像两只手臂，一南一北，伸向市区，构成优美的杭城空间轮廓线。
从西湖整个地质地理的情况看，其特点是山与水的关系在空间比例上比较匀称，在契合上比较密闭，总体上形成山环水抱之势。北、西、南三面山形几乎不留缺口，峰峦重叠，绵延不绝，东面是一马平川，过去虽有几处小小的山丘孑遗，但基本上对这一马平川的地形没有什么影响。
三、西湖湖床面积的变迁
西湖从最初的形成时期直至今天，湖床经历过多次变迁，其面积总体呈逐渐缩小的趋势。
西湖初形成时，湖面甚宽，当远大于今天西湖的数倍，但在入湖溪流挟带的泥沙和大量水生动植物、微生物残骸的堆积下，面积迅速缩小，湖水日益变浅，很快就进入了沼泽化时期。其后，经过历代的淤塞—疏浚—再淤塞—再疏浚的过程，虽然有人力的努力疏浚，但由于种种原因，湖体面积总体上仍呈逐步缩小的趋势。据历史记载和地质资料分析，可以测知，西湖在汉唐时的面积约为10.8平方公里，“澄千顷之波澜”，虽然不及初形成之时，但仍比现在的西湖要大近一倍左右。根据有关文献记载，当时湖的西部、南部都直抵西山山麓。
关于西湖的水域面积，最早见于文字记载的是唐代白居易的《钱塘湖石记》，其文中有“钱塘湖一名上湖，周回三十里”之语，这是关于西湖面积最早的文献记载。
唐代以后，五代钱镠《建广润龙王庙碑》中也有载：“钱唐湖者，西临灵隐，东枕府城，澄千顷之波澜，承诸山之源派……况镜水清流，烟波浩渺，其湖周百余里，其派数十余川……”
从五代至北宋，由于西湖长年不治，湖面大半被淤泥葑草所湮塞，几乎占据了整个湖面的一半。正如苏轼在《杭州乞度牒开西湖状》中所描述的，“臣通判杭州，湖之峰合者盖十二三耳，而今十六七年之间，遂湮塞其半”。不过在苏轼率领杭城百姓大规模的疏浚以后，“半年之间，目见西湖复唐之旧，环三十里，际山为岸”，大致恢复到唐代的水域面积。但总体来说，在宋元时期，湖床的面积还是比隋唐时又缩小了一些，根据学者的考证，当时的面积大约在9.3平方公里。
在明代以前，历代史书记载西湖的总长，均作一大概的数字，“周回三十里”。但到了明末，却有记载指出湖的周长只有原来的一半了。明清时，湖面为7.5平方公里左右，从清末再发展到民国，湖面还在继续缩小。
在整个元代和明初，由于当地对西湖几乎不加浚治，西湖一度被侵占淤积到几乎不复存在的地步，湖的范围急剧缩小，正如明人汪珂玉《古朴山房记》中的记载：“西湖自南渡后，历元入于皇朝，官无厉禁，为军民寺观侵占。苏堤迤西，直抵西山之麓，尽化桑田，仅留六港，以行缺瓜舟子。其酒船碍浅不通，非今日也。里湖亦皆桑田弥布，惟留二三丈如带，酒船往来而已。外湖则自苏堤北第一桥迤东，沿西林桥、孤山路，过段桥，沿城而南至雷峰塔，为池荡，桑梗弥望。由是外湖浸以窄小，昔所谓十里，今无五里焉。”而在《成化杭州府志》中也有类似的记载，“明初，西湖仍元之旧。西湖以山为岸者，去山日远……六桥之西悉为池田桑埂，里湖两岸亦然，中仅一港通酒船耳。孤山路南，东至城下，直抵雷峰塔，迤西皆然”。
明代正德元年（1506），杭州郡守杨孟瑛对西湖进行了大规模的疏浚和整治，拆毁西湖内之田荡3481亩，使西湖恢复了唐宋时的大部分面积，特别是湖的西面，重现了大片湖面，使西湖的面积仍保持在7.5平方公里左右。
杨孟瑛浚湖以后，到万历年间（1573—1620），湖面又有所缩小。当时郡人陈善在撰修《杭州府志》时向朝廷上《请疏西湖议》，提到湖岸的长度时，曾说：“沿城诸堤，学士桥自东至西二十一丈，南北二十七丈；回回坟东西三十九丈，南北七十二丈；柳州亭东西二十八丈，南北十丈；黑亭子湾东西二十二丈，南北百余丈，受沙碛者，俱为平陆。”
到了清代雍正年间（1723—1735），西湖面积尚有7.54平方公里，但葑滩二十多公顷。在浙江总督李卫等人进行过大规模的疏浚后，基本恢复了旧观。当时西湖的面积广及现在的杨公堤以西至洪春桥、茅家埠、乌龟潭、赤山埠一带。据当时李卫、傅王露主编的《西湖志》记载：“谨按西湖旧志三十余里，有先被民人占为田荡，于康熙三年丈入鱼鳞图册者计四百四十二亩零……未经丈入鱼鳞图册者计二百一十八亩……现（雍正时）存湖址二十二里四分有奇，通计里外湖面一万一千三百一十五亩零，淤浅硬沙葑滩共三千一百二十二亩。”不久以后由于民间侵占，以及淤浅，又损失了二里多。
至乾隆二十二年（1757）浙江巡抚杨廷璋在奉敕清理西湖水源时，亲率属员进行实地考察，并派人重新丈量了湖址面积，丈量的结果是“现存湖面不及二十里之数”，比雍正时少了方圆二里多。在这次清理中，又挖出淤滩一里多，使湖面总数变成了21里2分。
不过据清朝《西湖全图》所示，在清朝初期，西湖中还有杨公堤丁家山以南一段，从图中画出的堤两侧波光粼粼的广阔水面可知，当时的西湖面积比现在的面积要大得多，广及现在的杨公堤以西至洪春桥、茅家埠、乌龟潭、赤山埠一带，而且由以上几个村名可知，当时水体已抵至村头，并形成码头。
同治三年（1864），在浙江巡抚蒋益沣的支持下，杭州本地的地方官绅筹集专款，成立了西湖浚湖局，置局于湖滨。浚湖局成立以后，即派人全面仔细地丈量了西湖的实际面积，并写出了书面报告《丈湖记》，其原文如下：西湖面积若干，古人初无丈量及之者。同治癸酉，钱塘丁丙主浚湖局，聘江苏舆图局董长洲顾云来杭，周历湖干，析湖为五段，实地测丈。一曰外湖，计积湖面四十一万九千二百八十六方丈。二曰里湖，计积湖面六万五千七百六十七方丈。三曰后湖，计积湖面三万七千九百五十二方丈。四曰岳湖，计积湖面八千一百九十二方丈。五曰小南湖，计积湖面九千一百九十二方丈。除去孤山、白堤、苏堤、湖心亭、三潭印月、阮公墩占去外，通计积湖面五十四万三百八十九方丈，积亩九千零六亩有奇。又复计积截方，每方一里之中，计积三万二千四百方丈，计亩五百四十亩。由是全湖水陆，处处皆有丈尺可寻。以之考工，工无所遁；以之定界，界莫能侵矣。
光绪年间（1875—1908）又进行过一次实测，具体数字是：“周围二十一里，南北袤五里，东西广三里五分”。
民国间，根据1920年《全浙公报》的记载：“水利委员会奉令实测西湖，结果计全湖面积一万一千一百九十六亩（苏、白两堤占一千一百三十三亩；三潭印月、湖心亭、阮公墩占一百一十九亩），又周围线长二十三华里强，较旧志载里程约少六、七里。”即全湖面积为7.46平方公里，除去湖中三岛，水域面积6.63平方公里。
1927—1937年，杭州市政府实测西湖面积为九千二百余亩。
又解放前夕编撰的《民国重修浙江通志稿》，据当时水利委员会所测结果为：“西湖南北三公里，东西约二公里，环湖一周约二十三华里强。”
另外，1948年《民国杭州市新志稿》上的记载是：“西湖周围三十余里，面积约占十二平方里……东曰外湖，西曰里湖。里湖之北，以金沙堤分小部为岳湖，南以屿地分小部为小南湖；外湖之北，以白堤分小部为后湖。”
新中国成立以后，1950年后，杭州市有关部门对西湖进行详细测量，浙江省测绘局杨彬镛据此作《西湖面积小考》记：“西湖环湖一周（长桥至花港观鱼间沿南山路，其余沿西湖水涯线）长十二点九六公里，面积约五点六平方公里。”
1984年《园林文物统计年鉴》：“西湖面积五点六八平方公里，其中，外湖四点四三平方公里，北里湖零点三五平方公里，岳湖零点零七平方公里，西里湖零点七四五平方公里，小南湖零点零八五平方公里。西湖周边长一五点二二五公里。”
1990年杭州市园林文物管理局编纂《西湖风景园林》：“现今的西湖南北长三点二公里，东西宽二点八公里，绕湖一周近十五公里，全湖面积五点六八平方公里。它三面环山，一面连城，白堤、苏堤把西湖分割为外湖、里湖、西里湖、岳湖和小南湖等五个湖面。”
至2001年，西湖西进工程实施前，据《杭州市志》记载，西湖南北长3.3公里，东西宽2.8公里，周长15公里，面积6.03平方公里。除去湖中小岛、长堤、孤丘，水域面积约5.66平方公里。2002—2003年，西湖西进工程向西延拓水面70公顷，重修了杨公堤，恢复了茅家埠、乌龟潭、浴鹄湾、金沙港等水域。