Die Nordsee in ihrer heutigen Form entstand erst nach der Weichsel-Eiszeit. Frühere Sedimente und geologische Auffaltungen, wie zum Beispiel vor der schottischen Küste, wurden nach und nach überprägt. Schon vor Beginn der Eiszeiten gab es verschiedene Meere auf dem Gebiet der heutigen Nordsee.
Während der Saale-Eiszeit vor rund 200.000 Jahren war das Gebiet fast vollständig von Eis bedeckt. Nach kurzer Unterbrechung durch die Eem-Warmzeit schloß sich die Weichsel-Eiszeit an, die vor rund 10.000 Jahren endete und bei weitem nicht so stark ausgeprägt war. Sie bedeckte nur die nördlichen Gebiete der Nordsee. Trotzdem waren ihre Auswirkungen gravierend. Dadurch, dass enorme Mengen Wasser in den Eiskappen gebunden wurden, fiel der Meersspiegel bis zu 120 Meter unter das heutige Niveau. Somit fiel die Nordsee als relativ flaches Meer fast komplett trocken und es entstand eine Tundra auf dem vormaligen Meeresboden.
Im weiteren Verlauf der Weichsel-Eiszeit schrumpften die Eiskappen und der Meeresspiegel stieg um rund 60 Meter. Während dieser Phase war der Ärmelkanal trocken und bis hin zur Doggerbank verband eine Landbrücke Großbritannien mit dem Festland. Die Schmelzwässer der Alpen-Gletscher flossen über den Rhein und den Ärmelkanal in den Atlantik. Die skandinavischen Gletscher waren das Einzugsgebiet des Elbe-Urstroms, welcher in ein kleines Brackwassermeer im Bereich der nördlichen Nordsee mündete.
Mit dem weiteren Abschmelzen der Gletscher stieg der Meeresspiegel und vor rund 8000 Jahren wurde Großbritannien wieder zur Insel, als der Ärmelkanal überflutet wurde.
Die Doggerbank als flachste Stelle der Nordsee blieb noch einige Zeit als Insel bestehen. In dieser Zeit begann auch die Bildung des Wattenmeers.
Seither stieg und fiel der Wasserspiegel der Nordsee nur um wenige Meter. Die nord- und ostfriesischen Inseln bildeten sich während der letzten 5.000 Jahre aus Sandbänken oder beim Auseinanderbrechen größerer Inseln.