秦漢－唐代2000多年前，西湖還是錢塘江的壹部分，由於泥沙淤積，在西湖南北兩山——吳山和寶石山山麓逐漸形成沙嘴，此後兩沙嘴逐漸靠攏，最終毗連在壹起成為沙洲，在沙洲西側形成了壹個內湖，即為西湖，此時大約為秦漢時期。張岱《西湖夢尋》記載：“大石佛寺，考舊史，秦始皇東遊入海，纜舟於此石上。”此處所言大石佛寺，即位於西湖北側的寶石山下，目前尚有“秦始皇纜舟石”之景。
自從隋朝大業六年（610年）開鑿江南運河，與北運河相接，溝通南北五大水系，便捷的交通也促進了杭州的經濟發展和旅遊活動。唐代，西湖面積約有10.8平方公裏，比現在湖面面積大近壹倍，湖的西部、南部都深至西山腳下，東北面延伸到武林門壹帶。香客可泛舟至山腳下再步行上山拜佛。由於當時未修水利，西湖時而遭大雨而泛濫，時而因久旱而幹涸。
建中二年九月（781年），李泌調任杭州刺史。為了解決飲用淡水的問題，他創造性地采用引水入城的方法。即在人口稠密的錢塘門、湧金門壹帶開鑿六井，采用"開陰竇"（即埋設瓦管、竹筒）的方法，將西湖水引入城內。六井現大都湮沒，僅相國井遺址在解放路井亭橋西。其余五井是：西井（原在相國井之西），方井（俗稱四眼井），金牛井（原在西井西北），白龜井（原在龍翔橋西），小方井（俗稱六眼井，原在錢塘門內，即今小車橋壹帶）。
長慶二年十月（822年），白居易任杭州刺史。在任期間，白氏興修水利，拓建石涵，疏浚西湖，修築堤壩水閘，增加湖水容量，解決了錢塘（杭州）至鹽官（海寧）間農田的灌溉問題。其實白居易主持修築的堤壩，在錢塘門外的石涵橋附近，稱為白公堤，並非現在的白堤。白氏在錢塘門外修堤，建石涵閘，把湖水貯蓄起來，還書寫《錢塘湖閘記》刻於石碑，寫明堤壩的功用，以及蓄放水和保護堤壩的方法。如今白公堤遺址早已無存，但後人卻借白堤（當時稱“白沙堤”）以緬懷白公[20]。白氏不僅留下了惠及後世的水利工程，還創作了大量有關西湖的詩詞。最為著名的作品有《錢塘湖春行》、《春題湖上》和《憶江南》。
五代－宋代歷史上對西湖影響最大的，是杭州發展史上極其顯赫的吳越國和南宋時期。西湖的全面開發和基本定型正是在此兩朝。
進入五代十國時期，吳越國（907－960年）以杭州為都城，促進與沿海各地的交通，與日本、朝鮮等國通商貿易。同時，由於吳越國歷代國王崇信佛教，在西湖周圍興建大量寺廟、寶塔、經幢和石窟，擴建靈隱寺，創建昭慶寺、凈慈寺、理安寺、六通寺和韜光庵等，建造保俶塔、六和塔、雷峰塔和白塔，壹時有佛國之稱。靈隱寺、天竺等寺院和錢塘江觀潮是當時的遊覽勝地。由於西湖的地質原因，淤泥堆積速度快，西湖疏浚成了日常維護工作，因此吳越國王錢镠於寶正二年（927年）置撩湖兵千人，芟草浚泉，確保了西湖水體的存在。
曾任杭州太守的蘇東坡北宋後期，著名詩人蘇軾對西湖治理做出了極大貢獻。從五代至北宋後期，西湖長年不治，葑草湮塞占據了湖面的壹半。元祐五年（1090年），蘇軾上《乞開杭州西湖狀》於宋哲宗，斷言：“杭州之有西湖，如人之有眉目，蓋不可廢也。”同年四月，動員20萬民工疏浚西湖，並用挖出來的葑草和淤泥，堆築起自南至北橫貫湖面2.8公裏的長堤，在堤上建六座石拱橋，自此西湖水面分東西兩部，而南北兩山始以溝通。後人為紀念他，將這條長堤稱為“蘇堤”。相傳杭州名菜“東坡肉”，就是蘇東坡犒賞疏浚民工的美食。與白居易壹樣，大詩人蘇軾也在杭州留下了眾多詩篇，其中最有名的有《飲湖上初晴後雨》、《望湖樓醉書》。
1127年，南宋定都臨安後，杭州成為全國的政治、經濟、文化中心，人口激增，經濟繁榮，進入了發展的鼎盛時期。南宋吳自牧在《夢粱錄》中寫道：“臨安風俗，四時奢侈，賞玩殆無虛日。西有湖光可愛，東有江潮堪觀，皆絕景也。”杭州的旅遊者，每年除香客外，又增加了各國的使臣、商賈、僧侶，赴京趕考的學子，國內來杭貿易的商人。西湖的風景名勝開始廣為人知。當時，西湖泛舟遊覽極為興盛，據古籍記載，“湖中大小船只不下數百舫”，“皆精巧創造，雕欄畫拱，行如平地。”南宋詩人林升在詩《題臨安邸》對當時的盛況做了生動的描繪。另外，詩人楊萬裏也曾作詩《曉出凈慈寺送林子方》，盛贊西湖美景。
元代－清代元代，西湖依然是歌舞升平的“銷金窟”。據《元史》卷23記，在至大二年（1309年），“江浙杭州驛，半歲之間，使人過者千二百余， 有桑兀、寶合丁等進獅、豹、鴉、鶻，留二十有七日，人畜食肉千三百余斤。”。西域和西歐各國的商人、旅行家，來杭州遊覽的增多。最為聞名的有意大利旅行家馬可·波羅，他在遊記中稱贊杭州是“世界上最美麗華貴”的“天城”。元代後期，繼南宋“西湖十景”，又有“錢塘十景”，遊覽範圍比宋代有所擴大。元世祖至元期間，曾壹度疏浚西湖，作放生池，部分湖面又逐漸葑積成桑田。但到了元朝後期，西湖疏於治理，富豪貴族沿湖圍田，使西湖日漸荒蕪，湖面大部分被淤為茭田荷蕩。
直到明代宣德、正統年間（1426年－1449年），杭州開始恢復繁榮，地方官也才開始關註西湖。弘治十六年（壹說：正德三年，即1508年），知州楊孟瑛沖破來自豪富們的巨大阻力，在巡按禦史車粱支持下，奏請疏浚西湖，由工部撥款。據明《西湖遊覽誌》卷壹載：“是年二月興工，……為傭壹百五十二日，為夫六百七十萬，為直銀二萬三千六百零七兩，拆毀田蕩三千四百八十壹畝……，自是西湖始復唐宋之舊。”疏浚工程使蘇堤以西至洪春橋、茅家埠壹帶盡為水面，疏浚挖出的葑泥，除加寬蘇堤外，在裏湖西部堆築長堤，後人稱楊公堤。
萬歷三十五年（1607年），錢塘縣令聶心湯在湖中的小瀛州放生池外自南而西堆築環形長堤，形成的獨特景觀。三十九年，楊萬裏繼築外埂，至四十八年而規制盡善。池外造小石塔三座，謂之三潭。
清代，因康熙、乾隆兩皇帝多次南巡到杭州，促進西湖的整治和建設。康熙五次到杭州遊覽，並為南宋時形成的“西湖十景”題字，地方官為題字建亭立碑，使“雙峰插雲”、“平湖秋月”等未定點的景目，有了固定的觀賞位置。雍正年間，還推出“西湖十八景”，使杭州的遊覽範圍進壹步拓展。乾隆六次到杭州遊覽，又為“西湖十景”題詩勒石；又題書“龍井八景”，使偏僻山區的龍井風景為遊人註目。乾隆年間，杭州人翟灝、翟瀚兄弟合著《湖山便覽》壹書，記載西湖遊覽景點增加到1016處，為杭州最早的導遊書籍。乾隆年間興建的北京皇家園林頤和園的昆明湖東西兩堤也是模仿西湖蘇堤六橋而建的。
明清兩代，西湖又經歷了幾次疏浚，挖出的湖泥堆起了湖中的湖心亭、小瀛洲兩個島嶼。
雍正年間，西湖面積尚有7.54平方公裏，但葑灘20多公頃，經過大規模的疏浚後，面積廣及現在的西山路以西至洪春橋、茅家埠、烏龜潭、赤山埠壹帶。雍正五年（1727年），浙江巡撫李衛用銀四萬二千七百四十二兩，開浚西湖湖道，在金沙港、赤山埠、丁家山、茅家埠築石堰各壹座，用以蓄泄沙水入湖。嘉慶五年（1800年），浙江巡撫顏檢奏浚西湖興修水利，後由浙江巡撫阮元主持，用疏浚挖出的泥土堆築土墩（即阮公墩）。至此，現代西湖的輪廓已經形成。同治三年（1864年），創立西湖浚湖局，委錢塘丁丙主事。
清末至1949年自清末至民國時期，滬杭、杭甬、浙贛等鐵路線以及杭州至上海、南京、寧波等地的公路相繼建成，便利的交通條件促進了杭州旅遊的發展。除傳統的香客外，上海、南京等地遊客以及歐美、日本等國的遊客也日漸增多。《杭州市政府十周年紀念特刊》記載，民國19－25年（1930－1936年）外地人到訪杭州累計為32,845人。
民國時期杭州旅遊資源日益豐富，西湖景點和文物古跡不斷增多。政府將孤山的清代行宮中的禦花園辟為公園，民國16年，改稱中山公園，公園左側辟為浙江忠烈祠，祀浙軍攻克金陵陣亡將士，還在西泠橋附近建徐錫麟、秋瑾等烈士墓。民國6年，修建了靈隱寺的大悲閣，數次翻修嶽王廟、嶽墳。民國12－20年間，修建黃龍洞。民國12－13年，修整傾廢的錢王祠，並構築園林。民國22年，修護已傾斜的保俶塔。
民國時期，杭州的公園建設始於湖濱公園。1912年浙江軍政府拆除錢塘門至湧金門城墻和旗營城垣，沿湖築湖濱路，離湖20米處設欄，廣種花木，稱湖濱公園。長約壹裏的湖濱公園***分為壹至五公園。1922年8月29日至30日，中國***產黨在西湖舉行特別會議，決定有條件地同意***產黨員以個人名義加入國民黨，促進了第壹次國***合作，史稱“西湖會議”。1930年春，杭州市政府在長生路之北至錢塘門頭，用浚湖之泥填為平地，約21畝余，辟為六公園。1828－1933年，浙江省政府分別在第三公園碼頭、第二公園碼頭和第五公園碼頭建立“陳英士像”、“北伐陣亡將士紀念塔”和“八十八師淞滬戰役陣亡將士紀念碑”。
1924年9月25日下午1時40分，有近千年歷史的雷峰塔因塔基長期遭盜挖而倒塌，驚動社會輿論。魯迅為此還特地兩度撰文評論此事，而“雷峰夕照”也因此有名無實。1929年6月6日－10月20日，浙江省政府舉辦首屆西湖博覽會，參觀人數總計達2千余萬人次。博覽會會址設在斷橋、孤山、嶽王廟、北山等沿湖地區，旨在提倡國貨、獎勵實業，除全國壹千多個代表團外，還有美國、日本、英國、印尼等國組團參觀，為民國時期杭州規模最大、時間最長的盛會。1937年3月下旬，蔣介石與周恩來在西湖邊的煙霞洞舉行秘密會談，商討建立抗日民族統壹戰線，奠定了第二次國***合作的基礎，史稱“西湖會談”。
1949年至20世紀末中華人民***和國成立後，杭州為全國最早對外開放的旅遊城市之壹。杭州市政府實行封山育林，植樹綠化，對西湖進行全面疏浚。在西湖風景區，開辟植物園、花圃，興建花港觀魚、柳浪聞鶯公園，改建玉泉觀魚、湧金公園，整修靈隱寺、凈慈寺、嶽廟、三潭印月、湖心亭等風景點，修築環湖西路（西山路）、龍井路、九溪路。1959年杭州西湖***接待外國遊客1,400余人，港澳同胞2,300余人，國內遊客500余萬人次。
杭州西湖的秀麗風光得到了國家最高領導人的青睞。這其中尤以毛澤東經常下榻的劉莊（現為西湖國賓館）、汪莊（現為西子國賓館）和林彪建造的七零四工程（現為浙江賓館）最為知名。1953年12月末，毛澤東在杭州西湖邊的劉莊（壹說汪莊），主持起草了第壹部《中華人民***和國憲法》。1972年2月末，美國總統尼克松與周恩來在劉莊的八角亭內草簽了《中美聯合公報》，這是中美外交史上的壹個裏程碑。
“文化大革命”後，來西湖旅遊人數迅速增加，1978年接待外賓、港澳同胞***計5.3萬人次，國內遊客約有600萬人次。1983年5月，國務院明確杭州為“歷史文化名城和全國重點風景旅遊城市”。1984年9月，國務院辦公廳指出：“把杭州建設成為我國東南部的旅遊中心和國際上第壹流的風景旅遊城市”。 此後，杭州政府修復靈隱寺、天竺寺、凈慈寺、嶽廟、大成殿和“西湖十景”碑亭等古跡，擴建虎跑等名勝，新建曲院風荷等公園，開辟“靈峰探梅”景點，在黃龍洞、阮公墩創辦仿古遊樂活動，還辦起夜花園、音樂夜市等夜遊活動。
雲棲竹徑1949年時，西湖汙泥淤塞，湖水平均深度僅0.55米，湖底水草遍生，大型遊船很難暢行。1951年，杭州市啟動疏浚西湖工程，再次全面疏浚治理西湖，至1954年，工程已全部實行機械化操作。1976年，國家撥專款200萬元，開始第二次疏浚西湖。此外，杭州市政府還對西湖湖墈進行了全面整修，完工後總長度達29,800米，為西湖有史以來規模最大的壹次駁墈。結合駁墈還整修或新建湖濱公園、中山公園、嶽墳、蘇堤兩側等供遊船停靠的大小埠頭10余處。另外，1978年至1985年期間，西湖還進行了環湖汙水截流工程和西湖引水工程，提高了西湖水體的質量。
1984年，杭州日報社等五家單位發起新西湖十景評選活動。由於兼具優美的自然風光和悠久的人文底蘊，杭州西湖在1982年被評選為首批國家重點風景名勝區，並在1985年入選中國十大風景名勝。2000年，時隔71年後，西湖博覽會再度在西子湖畔舉行。新西湖博覽會（正式名稱為“中國杭州西湖國際博覽會”）***接待國內外遊客140萬人次，旅遊收入達11.2億人民幣。此後，西湖博覽會被確定為杭州壹年壹度的大型會議展覽活動。
21世紀進入二十壹世紀，數項整治西湖環境的大型工程被啟動。首先是“西湖南線整合工程”。2002年2月至10月，杭州對西湖南線的四大公園（柳浪聞鶯、老年公園、少年公園、長橋公園）進行整合。***拆除圍欄2.25公裏，拆除建築6.57萬平方米，開挖水系2.60萬平方米，新種喬木8000株，草坪和地被植物4.5萬平方米。四大公園均實現二十四小時免費開放[42]。杭州西湖是中國首家不收門票的5A級景區[43]。截止2011年，杭州西湖是中國唯壹壹家不收門票的5A級景區。
同年10月25日，在78年前倒塌的雷峰塔舊址上，71.7米高的新雷峰塔建成竣工]。從此，雷峰塔與保俶塔“南北相對峙，壹湖映雙塔”的美景重現西湖，缺失了近80年的西湖十景自此成為完整的全景。
2002年底，杭州市政府啟動“西湖西進工程”（即楊公堤景區）、新湖濱景區和梅家塢茶文化村等三大綜合整治保護工程。在楊公堤景區建設中，主要恢復了茅家埠、烏龜潭等***計70公頃的水面面積，並與西裏湖互相溝通，改善和復原了周邊的生態濕地。目前，西湖水面已由原先的5.6平方公裏擴大為6.5平方公裏，基本上達到了300年前西湖的面積[45]。新湖濱景區包括從斷橋起，沿白沙路、聖塘閘、環城西路、湖濱路至二公園的沿湖地帶，工程將湖濱機動車通道移入地下隧道，路面改造成為綜合性休閑購物步行街。梅家塢地處西湖風景區腹地，為西湖龍井茶的重要產地，通過本次整治，景區恢復了茶文化和農家旅遊的風格。2003年起，靠近湖濱路與平海路交叉口附近的西湖水面上建立了音樂噴泉系統，吸引了大批遊客的觀賞。
2004年國慶節起，杭州花圃、曲院風荷、花港觀魚公園免費向遊客和市民開放。加上2002年開放的南線四大公園，西湖沿線成了開放式大公園。2009年3月20日，太子灣公園免費對遊客開放。
列入世界遺產1999年，杭州市政府正式宣布為西湖申遺，後中國國家文物局向世界遺產中心正式推薦“杭州西湖”作為中國2011年申報項目。2011年6月24日的世界遺產大會上，“杭州西湖文化景觀”正式列入世界文化遺產名錄。