全地球規模の平均海水準は、固体である地殻表面の形状と液体である全海水の体積により定まる。例えば近年の地球温暖化問題で考慮すべき数千年から数万年の時間スケールでは地殻形状変化は小さいと考えられるので、海水準の変動のほとんどは全海水の体積変化によると見なせる。

　そして全海水の体積変化は、全海水量の変化と、温度による体積変化すなわち熱膨張の効果の2つからなる。全海水量の変化は主に陸上の氷との相互変換による。流氷や北極海の氷山のように海面に完全に浮いている氷は、融解しても全海水の体積を変えないので、正確には全海水量とは液体である海水と完全に浮いている氷との合計量というべきである。

 

　長い時間軸では海洋の形の変化と陸海分布も海水準を決める要因になる。また地球内部から地表への水の出入りによる、地表水の全質量の変化が要因となることもある。

 

　地球の長い歴史の間では、大陸移動により陸の配置が現在とはかなり違った形状であった。またプレートテクトニクスの観点からは、海洋プレートの生産が活発になると海洋底が拡大するため（現在のインド亜大陸とユーラシア大陸のように大陸同士の衝突も起きた場合）海洋の面積が増え、相対的に海水準が低くなるという説もある。
大陸地殻が極付近に大量に集まった時代は、堆積物の記録から氷期の間著しく海水準が低かったことがわかる。

　これは極域の陸上には雪や氷が集積できるからである。陸塊が赤道付近に密集している時期には、氷期（寒冷期）が海水準に与える影響は小さい。しかしほとんどの地質時代、長期間の平均的な海水準は現在より高い（グラフ参照）。現在よりも平均的な海水準が低かったのは、2億5千万年前のP-T境界（ペルム紀／三畳紀境界）付近の間のみである。

 

 

　過去数百万年の新生代氷河期における氷期-間氷期サイクルでは、海水準は100m以上の変動を示している。主に海から蒸発した水が（ほとんどは北半球で）氷床として固定され成長する時に海水準が低下、後退するときに融解水が海洋に供給されることによって海水準が上昇するからである。現在のグリーンランドと南極の氷床が溶けると、海水準はおよそ80m上昇すると予測されている。

　地質学者は長い間、堆積物に明らかな周期性を見出しその原因を説明しようとしてきた。この周期性は、主に海水準の上昇と低下のプロセスを堆積過程で反映しているという説が有力である。その記録から、海水準が驚くほど低い時期と現在よりかなり高かった時期の繰り返しがあり、この様な現象はしばしば世界規模で起こったことがわかってきた。

　たとえば、1万8千年前の最終氷期最盛期には地球全体の気温が低下しており、数十万立方kmの氷が、北欧や北米を中心とした大陸に氷河・氷床として積み重なった。海水を構成していた水分が陸上の氷となったため、海水量が減少、海面は約120m低下、サンゴ礁は地上に取り残され、海岸線は現在よりも沖へ遠くなった。この海水準がもっとも低下した時代、陸で繋がったアジアとアラスカの間（ベーリング陸橋）を通って北アメリカに人類が移住したと信じられている。

 

 

 

 

　およそ12万年前のひとつ前の間氷期、短い間だが海水準が今日よりも約6m高かった時期があった。その証拠はバハマの崖に沿って波に刻まれたノッチ（隆起サンゴ礁の海岸の根元が、波の力や海中生物により長い年月をかけて削られた地形）の存在である。また、イギリス領西インド諸島にある西カイコス島沿岸の南西部には、更新世のサンゴ礁が現在の海水準より3m高い位置に残されているという事実もある。

　これらの海水面に沈んでいたはずのサンゴ礁や古サンゴ海岸堆積物は、そのサンゴ礁が成長できる十分な時間海水準が高かったことを示す（この上昇した分の海水が、融解水した南極氷床由来なのかグリーンランド由来なのかはまだわかっていない）。このように過去の海水準の位置を示す似たような証拠は、世界で豊富に見つかっている。

 

　 

　第四紀後期と完新世に起きた大規模な海水準の上昇（海進現象）が、日本列島でも知られている。一つ前の間氷期（エーミアン間氷期）の時に起こったのが下末吉海進、現在の間氷期になってから起きた6000年前のものが縄文海進。8世紀から12世紀にかけてのものが平安海進（ロットネスト海進）と呼ばれている。

 

　ローズ・フェアブリッジ教授（en）の海水準曲線によると、

 

8世紀初頭の海水面は、現在の海水面より約１メートル低かった。

 

10世紀初頭には現在の海水面まで上昇した。

 

11世紀前半には現在の海水面より約50センチメートル低くなった。

 

12世紀初頭に現在の海水面より約50センチメートル高くなった。『更級日記』で真野の長者の家（現千葉県市川市）が水没した原因はこの海進であるとされる。またこの頃、ヨーロッパは中世の温暖期であった。

 

　その後、海水面は14世紀後半のパリア海退により、現在の海水面から１メートル以上低くなった。

 

16世紀中頃の中世海進により上昇したが、それでも現在の海水面よりは低かった。