海水的形成与地球物质整体演化作用有关。一般认为海水是地球内部物质排气作用的产物，即水汽和其它气体是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。现代火山排出的气体中，水汽往往占75％以上，据此推测，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积聚成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，从而转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。
在漫长的地球演化过程中，海水因地球排气作用不断累积增长，最初的原始海洋体积可能有限，深海大洋的形成也要晚些。根据对海洋动物群种属的多样性分析，至少在寒武纪以前就出现了深海大洋。
海水的化学成分，一是来源于大气圈中或火山排出的可溶性气体，如CO2，NH3，Cl2，H2S，SO2等，这样形成的是酸性水；二是来自陆上和海底遭受侵蚀破坏的岩石，受蚀破坏的岩石为海洋提供了钠、镁、钾、钙、锂等阳离子。目前海水中阴离子的含量，如CL-,F-,SO24,HCO3-等远远超过从岩石中吸取出的数量。因此，海水中盐类的阴离子主要是火山排气作用的产物，而阳离子则由被侵蚀破坏的岩石产生，其中有很大部分是通过河流输入海洋的。另外，受蚀的岩石也为海洋提供了部分可溶性盐。
前寒武纪晚期以来，尽管地球上的海水量继续增加，特别是各种元素和化合物从陆地或通过火山活动源源不断地输入海洋，然而，海洋生物调节着海水的成分，促使碳酸盐、二氧化硅和磷酸盐等沉淀下来，硫酸盐、氯化物的含量相对增加，钙、镁、铁等大量沉淀，钠则明显富集，于是海水的成分逐渐演变而与现代海水成分相近。根据对动物化石的研究，在显生宙期间，海水的盐度变化不大。这说明，由于海洋生物的调节作用，世界大洋水的成分自古生代以来已处于某种平衡状态中。
总之，大洋海水的体积和盐分的显著变化发生在前寒武纪的漫长地球历史时期，自古生代(距今约6×108年)以来，大洋水的体积和盐度已大体与现代相近。