Аральское море появилось, по данным абсолютного датирования с помощью радиоуглеродного метода, примерно 17,6 тысяч лет назад, когда начали активно таять горные ледники Памира и Тянь-Шаня. В период с 17,6 до 15,3 тысяч лет назад существовал постоянный обильный приток речных вод в озёрную котловину. Затем в период с 15,3 до 14 тысяч лет назад солёность воды значительно повысилась из-за уменьшения притока речных вод (пик осолонения пришёлся на период 14,5-14 тысяч лет назад). Примерно 14-13 тысяч лет назад вода в озере вновь стала слабосолёной. В XV веке Аральского моря как единого целого ещё не существовало. Относительно полноводным оно стало только после 1573 года.
В историческую эпоху происходили существенные колебания уровня Аральского моря. Так, на обнажившемся после отступления воды дне были обнаружены остатки деревьев, росших на этом месте.
По некоторым оценкам, ранее Амударья по рукаву Узбой впадала в Каспийское море, а река Тургай - в Арал.
В конце XVI и начале XVII века из-за понижения уровня моря образовались острова Барсакельмес, Каскакулан, Козжетпес, Уялы, Бийиктау, Возрождения. Рукава Сырдарьи - Жанадарья и Куандарья - перестали впадать в Арал соответственно с 1819 и с 1823 годов.