根据文献记载，春秋战国时期，今天的杭州市区仍是海潮出没的沙洲。因此两千多年前，西湖还是钱塘江的一部分，仍与海湾相连，每当涨潮的时候，湖中的水就满溢出来，退潮的时候，湖的形状才显现出来。
后来，由于泥沙日复一日的淤积，在西湖南北两山———吴山和宝石山山麓逐渐形成沙嘴，此后两沙嘴逐渐靠拢，最终毗连在一起成为沙洲，在沙洲西侧形成了一个内湖，即为西湖，至此，湖的形状才基本定型下来，此时大约为我国的秦汉时期。据刘宋县令刘道真《钱塘记》的记载，“县在灵隐山下”，说明当时的钱唐县在现在杭州城的西南部，则当时的西湖应该在钱唐县治的东北面。
根据《史记·秦始皇本纪》的记载，秦始皇统一全国后曾五次出巡。始皇三十七年（公元前210）最后一次出巡，由左丞相李斯随从，到云梦时，遥祭了葬在九疑山的虞舜，然后沿长江顺流而下，“过丹阳，至钱唐，临浙江，水波恶，乃西百二十里，从狭中渡”。这是文献中首次出现“钱唐”之名。根据此处《史记》的记载，可以推测当时西湖以东还是海潮出没之地，现在的江干一带还在海中，和南岸的西兴隔着一片辽阔的水面。这一带的地形还是个河口，没有形成河道，所以秦始皇难以在这里渡江，只能往“西百二十里”，在江面比较窄的地方渡江了。
传说秦始皇到钱唐时还曾乘船进入西湖，在湖边一块巨石上系舟，这就是宝石山麓的“秦皇缆船石”。张岱《西湖梦寻》卷一《大佛头》记载：“大石佛寺，考旧史，秦始皇东游入海，缆舟于此石上。”此处所言大石佛寺，即位于西湖北侧的宝石山下，目前尚有“秦始皇缆舟石”之景。秦始皇的船能进入西湖，可见当时西湖还与江海相通，武林湾还没有完全封闭。
至西汉前期，西湖可能还与江海相通。直到汉代后期筑成大塘后，西湖才与海潮隔断并与钱塘江分开，从此才开始其独立发展。据北魏郦道元《水经注》卷四〇《渐江水》引南朝钱唐县令刘道真《钱唐记》载：“防海大塘，在县东一里许，郡议曹华信家议立此塘，以防海水。始开募，有能致一斛土者，即与钱一千，旬月之间，来者云集。塘未成而不复取，于是载土石者皆弃而去，塘以之成，故改名钱塘焉。”记载了东汉会稽郡的议曹华信率领民众，用泥石堆筑防海大塘，阻挡了咸潮，江湖始分，西湖从此与江海隔绝，成为内湖；因为湖在当时钱唐县境内，所以把武林水改名钱唐湖（从唐朝开始，“钱唐”改为“钱塘”）。
《钱唐记》中关于防海大塘的记载可能确有其事，不过关于“钱唐（塘）”县得名的说法可能有误。《史记》中早有记载，“（始皇）至钱唐，临浙江”，可见秦时已有“钱唐”之名，而并非东汉修筑防海大塘后才得名的。
隋开皇九年（589），废钱唐郡，置杭州，“杭州”之名自此始。大业六年（610），隋炀帝征调民工开凿自京口（江苏镇江）至杭州的长达八百余里的江南运河。杭州作为江南运河的终点，又是运河与钱塘江的交汇处，一跃而成为一个交通枢纽和商业中心，因而得到了迅速发展，《隋书·地理志》记载：“川泽沃衍，有海陆之饶，珍异所聚，故商贾并凑。”但是当时这一地区的土地并不宽阔，不可避免地出现了地少人多、人满为患的现象。在这样的情况下，作为城市的外围，聚落开始向西湖以东今天市区一带扩展。在西湖以东建立聚落，首先面临的问题就是给水。在上一节的内容中已经提到，杭州城所在的位置原是一片冲积平原，在形成平原之前则是海湾旧地，因此在整片斥卤的土地上，井水和河水都是咸水，这就使得初期建立在这里的聚落不得不紧靠西湖，否则，供水就是一个严重的困难。由于商业发达，人口增加，从紧靠湖边的聚落出现开始，居住点逐渐向着西湖以东的广阔地区扩展，聚落渐增，解决给水问题的迫切性也日益增加。这才促使唐德宗建中二年（781）所谓“六井”的出现。
西湖的出名始于唐代。田汝成在《西湖游览志余》卷二四《委巷丛谈》中述及西湖的盛衰史时，曾有过这样一段话：西湖巨丽，唐初未闻也。自相里君、韩仆射辈继作五亭，而灵竺之胜始显。白乐天搜奇索隐，江山风月，咸属品题，而佳境弥章。苏子瞻昭旷玄襟，追踪遐躅。南渡已后，英俊丛集，昕夕流连，而西湖底藴表襮殆尽。虽其时法禁舒假，长民者得以适性徜徉，而府库充盈，羡余可举，闾阎康裕，募化有资，故寺观日益，且髙僧真士又得与达官长者倡和逍遥，故妆点湖山愈加繁媚。乃今法禁严明，动有掣肘，为吏兹土者，上畏督察，下惕诽议，汨没簿书，修职救愆，犹虑不给，尚敢盘桓山水之间哉？至于道院禅林，日就崩废，缁黄之流，服役追呼与氓隶等，即有募化之资，无过升斗。盖盛极而衰，亦循环之理也。
指出西湖在唐宋时期得到了巨大的发展，以及其所以能得到发展的原因。
唐朝初年，杭州的户口已经超过十万。而杭州临近江海，城内江水咸苦，百姓苦于饮水困难，只能依赖西湖水的供给，由于供水问题，杭州城市与西湖的关系也就日益密切起来，其最典型的代表就是刺史李泌修建的“六井”。为了解决饮用淡水的问题，建中二年（781），刺史李泌创造性地采用了从地下引西湖水入城的方法，开凿了六井。所谓“六井”，实际上就是六处蓄水池，蓄积的池水通过地下的瓦管或竹筒从西湖引来。从六井的分布来看，它们离西湖都不很远，这反映了当时这个地区聚落街市分布的大体范围。虽然是小小的六处蓄水池，所分出的水量也只占西湖总水量的极其微不足道的份额，但其意义却十分巨大，从以后杭州和西湖的发展中可以证明，它几乎成为今后西湖能够免遭湮废的决定力量。因为从六井开始，西湖就成为杭州城市不可分割的一个部分。
李泌以后，白居易开发西湖，可以说是西湖成名的初创时期。此前李泌在开凿六井的同时，还凿通了西湖和钱塘江间的通路，使江水可以自由流通。潮水的涨落，导致西湖的水位高低变化很大。此后西湖日渐淤塞、湖水干涸、农田苦旱。长庆二年（822），白居易出任杭州刺史，冲破阻力，开始整治西湖。他在钱塘门外从石函桥到武林门一带修筑了一条长堤，堤的西面为上湖（即今天的西湖），堤的东面为下湖（后湮废）。所建湖堤比原来的湖岸高上数尺，这样，又使上湖与钱塘江完全隔绝开来。上湖虽然与钱塘江不相连，接受不到江水的补充，但由于三面环山，因此下雨的时候，山上的水都汇流入上湖中。他又在上下湖之间修了沟渠，将上湖之水引入下湖，灌溉沿岸的良田，故有“决上湖水一寸，可溉田十五余顷”之说。杭州附近的农田得上湖水的灌溉，土壤肥沃，农业收成增加，人口也逐渐增长。因此人们将白居易所筑的防护堤叫做白堤，由于白堤的修筑，西湖的风景也变得更美，并逐渐美名远扬，文人墨客也纷至沓来，屡屡将各自的游兴付诸笔端。
据地质资料分析，西湖在汉唐时的面积约为10.8平方公里，湖面虽较早期略为收缩，但湖的西部和南部都直达西山脚下，东北则延伸到今天的武林门一带，香客可以泛舟到山脚下再步行上山拜佛，且湖边树木繁茂，绿草葱茏，自然环境很好。这时期已开始进入了风景湖泊的初期阶段，且面积仍相当辽阔，约比现在的西湖要大近一倍。
历史上对西湖影响最大的两个时期是定都杭州的五代吴越国和南宋时期。
进入五代十国时期，吴越王钱镠定都杭州，并大兴工事，扩展杭州城，在城内大修台馆，构筑子城，为今天的杭州奠定了基础。在吴越国的八十余年中，杭州城市得到了较大的扩展，西湖也获得了较好的整治，城市与西湖的这种唇齿相依的关系，较之前代变得更为明显。
当时钱塘江的海潮逼近州城，经常侵入城内，成为杭州城的大患。于是钱镠乃“大庀工徒，凿石填江，又平江中罗刹石，悉起台榭”，在钱塘江边修筑了堤防。在吴越之前，钱塘江边也曾筑过海塘，但这些海塘均为土塘，而钱镠首次用石头筑塘，所以《浙江通志》说“筑塘以石，自吴越始”。他又令人在石塘以外，靠近堤岸的江中再植入大木十余行，以减潮势。这些大木称为“滉柱”，北宋宝元、康定年间（1038—1041），有人向杭州地方官建议，“取滉柱可得良材数十万”。及至滉柱取上来，才发现都因年代久远而朽败不可用了。而且滉柱一空以后，石堤为江潮所拍击，便“岁岁摧决”了。足见那“建议”之荒谬，也反证了钱镠建筑石堤所用的层层防护技术的高明。
在修筑江堤的同时，钱镠还对荒芜已久的西湖作了疏浚。此时西湖距白居易修治后又逾百年，由于西湖自身的地质原因，淤泥堆积速度非常快，甚至一度干涸，只能在雨季为居民供水，而遇旱季则无水可供，而且只有最小型的船只在水位最高的时候，才有可能穿过西湖进入城中密布的水道。钱镠在后梁龙德三年（923）定都后，即在西湖南、北泄水口设涌金、钱塘两座水门，为城市防御和水上交通关隘。又于宝正二年（927）置撩湖兵千余人，封闭出水口，芟除湖草，深挖湖底淤泥。泄水通过市区河道，为民用和灌溉的水源。又新挖水池三处，引西湖水入池，增加城市的淡水供应；修建龙山、浙江两闸，以遏制江潮灌入内河。此后，西湖的疏浚成了日常维护工作，确保了西湖水体的存在。由于吴越国历代国王都崇信佛教，在西湖周围兴建大量寺庙、宝塔、经幢和石窟，扩建灵隐寺，创建昭庆寺、净慈寺、理安寺、六通寺和韬光庵等，并修建了保俶塔、六和塔、雷峰塔和白塔，一时吴越国有佛国之称。灵隐、天竺等寺院和钱塘江观潮是当时的游览胜地。
吴越国时期对西湖的整治，无疑大大延缓了西湖的沼泽化过程，但湖泊自然发展的规律并没有改变，西湖的淤浅仍然处于日积月累毫不休止的过程中。
北宋以后，杭州的许多贤牧良守都把疏浚西湖、畅通六井作为施政的重要任务。
北宋哲宗元祐四年（1089），苏轼赴杭州任知府。西湖自五代钱氏后废而不理，到此之时，湖面“葑积二十五万余丈，而水无几”，而六井也几乎都废毁不可用了。苏轼上任后，首先疏浚了城中的茆山、盐桥二河，使之分别承受钱塘江潮和西湖水，并在河上建造了堰闸，定时启闭。然后又恢复六井，解决了城中居民的饮水和洗涤之需。紧接着，次年即调集大批民工浚治西湖，并用挖出来的葑草和淤泥，堆筑起自南至北横贯湖面的长堤，在堤上修建了六座石拱桥，堤岸上种植了杨柳和花草等，从此“北山始与南山通”，而西湖水面也开始分为东、西两部分，堤的西面叫里湖，东面叫外湖。浚湖以后，苏轼又将沿岸湖面让给农夫种菱角，并将出租湖面的费用充作今后西湖的维护治理费。后人为纪念苏轼对杭州和西湖治理的功绩，将这条长堤称为“苏堤”。苏轼在杭州期间，筑堤一道，吟诗千首，留下了众多的掌故，相传杭州名菜“东坡肉”，就是苏东坡犒赏疏浚民工的美食。这一时期是可以说是西湖的初兴时期。宋室南渡以后，定都于杭州之时，西湖是京城里唯一的名胜景地。
南宋定都临安后，杭州成为全国的政治、经济、文化中心，人口激增，经济繁荣，进入了城市发展的鼎盛时期。西湖由于位处都城，因此地方官府对湖山的景致年年加以修理，环湖的寺庙、庭园之美也达到极致。南宋吴自牧在《梦粱录》中写道：“临安风俗，四时奢侈，赏玩殆无虚日。西有湖光可爱，东有江潮堪观，皆绝景也。”到杭州的旅游者，每年除香客外，又增加了各国的使臣、商贾、僧侣，赴京赶考的学子，国内来杭贸易的商人，等等。西湖的风景名胜开始广为人知。当时，西湖泛舟游览极为兴盛，据古籍记载，“湖中大小船只不下数百舫”，“皆精巧创造，雕栏画栱，行如平地”，“湖之景，四时无穷，虽有画工，莫能模写”。南宋诗人林升的《题临安邸》诗“山外青山楼外楼，西湖歌舞几时休。暖风熏得游人醉，直把杭州作汴州”，虽然是对南宋朝廷苟且偷安的嘲讽，但也从中可见当时杭州城和西湖美景的盛况。