《汉书·地理志》：“钱唐，西部都尉治。武林山，武林水所出，东入海，行八百三十里。”
后又有钱水、钱唐湖、明圣湖、
金牛湖、石涵湖、上湖、潋滟湖、放生池、西子湖、高土湖、西陵湖、龙川、销金锅、美人湖、贤者湖、明月湖诸般名称，但是只有两个名称为历代普遍公认，并见诸于文献记载：一是因杭州古名钱塘，湖称钱塘湖；一是因湖在杭城之西，故名西湖。最早出现的“西湖”名称，是在白居易的《西湖晚归回望孤山寺赠诸客》和《杭州回舫》这两首诗中。北宋以后，名家诗文大都以西湖为名，钱塘湖之名逐渐鲜为人知。而苏轼的《乞开杭州西湖状》，则是官方文件中第一次使用“西湖”这个名称。
西湖秦汉到唐
2000多年前，西湖还是钱塘江的一部分，由于泥沙淤积，在西湖南北两山——吴山和宝石山山麓逐渐形成沙嘴，此后两沙嘴逐渐靠拢，最终毗连在一起成为沙洲，在沙洲西侧形成了一个内湖，即为西湖，此时大约为秦汉时期。张岱《西湖梦寻》记载：“大石佛寺，考旧史，秦始皇东游入海，缆舟于此石上。”此处所言大石佛寺，即位于西湖北侧的宝石山下，尚有“秦始皇缆舟石”之景。
自从隋朝大业六年（610年）开凿江南运河，与北运河相接，沟通南北五大水系，便捷的交通也促进了杭州的经济发展和旅游活动。
唐朝，西湖面积约有10.8平方公里，比近代湖面面积大近一倍，湖的西部、南部都深至西山脚下，东北面延伸到武林门一带。香客可泛舟至山脚下再步行上山拜佛。因为当时未修水利，西湖时而遭大雨而泛滥，时而因久旱而干涸。
建中二年九月（781年），李泌调任杭州刺史。为了解决饮用淡水的问题，他创造性地采用引水入城的方法。即在人口稠密的钱塘门、涌金门一带开凿六井，采用“开阴窦“（即埋设瓦管、竹筒）的方法，将西湖水引入城内。六井现大都湮没，仅相国井遗址在解放路井亭桥西。其余五井是：西井（原在相国井之西），方井（俗称四眼井），金牛井（原在西井西北），白龟井（原在龙翔桥西），小方井（俗称六眼井，原在钱塘门内，即今小车桥一带）。
长庆二年十月（822年），白居易任杭州刺史。在任期间，白氏兴修水利，拓建石涵，疏浚西湖，修筑堤坝水闸，增加湖水容量，解决了钱塘（杭州）至盐官（海宁）间农田的灌溉问题。其实白居易主持修筑的堤坝，在钱塘门外的石涵桥附近，称为白公堤，并非近代的白堤。白氏在钱塘门外修堤，建石涵闸，把湖水贮蓄起来，还书写《钱塘湖闸记》刻于石碑，写明堤坝的功用，以及蓄放水和保护堤坝的方法。如今白公堤遗址早已无存，但后人却借白堤（当时称“白沙堤”）以缅怀白公。白氏不仅留下了惠及后世的水利工程，还创作了大量有关西湖的诗词。最为著名的作品有《钱塘湖春行》、《春题湖上》和《忆江南》。
西湖五代两宋
历史上对西湖影响最大的，是杭州发展史上极其显赫的吴越国和南宋时期。西湖的全面开发和基本定型正是在此两朝。
进入五代十国时期，吴越国（907—960年）以杭州为都城，促进与沿海各地的交通，与日本、朝鲜等国通商贸易。同时，由于吴越国历代国王崇信佛教，在西湖周围兴建大量寺庙、宝塔、经幢和石窟，扩建灵隐寺，创建昭庆寺、净慈寺、理安寺、六通寺和韬光庵等，建造保俶塔、六和塔、雷峰塔和白塔，一时有佛国之称。灵隐寺、天竺等寺院和钱塘江观潮是当时的游览胜地。由于西湖的地质原因，淤泥堆积速度快，西湖疏浚成了日常维护工作，因此吴越国王钱镠于宝正二年（927年）置撩湖兵千人，芟草浚泉，确保了西湖水体的存在。
北宋后期，著名诗人苏轼对西湖治理做出了极大贡献。从五代至北宋后期，西湖长年不治，葑草湮塞占据了湖面的一半。元祐五年（1090年），苏轼上《乞开杭州西湖状》于宋哲宗，断言：“杭州之有西湖，如人之有眉目，盖不可废也。”同年四月，动员20万民工疏浚西湖，并用挖出来的葑草和淤泥，堆筑起自南至北横贯湖面2.8公里的长堤，在堤上建六座石拱桥，自此西湖水面分东西两部，而南北两山始以沟通。后人为纪念他，将这条长堤称为“苏堤”。相传杭州名菜“东坡肉”，就是苏东坡犒赏疏浚民工的美食。与白居易一样，大诗人苏轼也在杭州留下了众多诗篇，其中最有名的有《饮湖上初晴后雨》、《望湖楼醉书》。
1127年，南宋定都临安后，杭州成为全国的政治、经济、文化中心，人口激增，经济繁荣，进入了发展的鼎盛时期。南宋吴自牧在《梦粱录》中写道：“临安风俗，四时奢侈，赏玩殆无虚日。西有湖光可爱，东有江潮堪观，皆绝景也。”杭州的旅游者，每年除香客外，又增加了各国的使臣、商贾、僧侣，赴京赶考的学子，国内来杭贸易的商人。西湖的风景名胜开始广为人知。当时，西湖泛舟游览极为兴盛，据古籍记载，“湖中大小船只不下数百舫”，“皆精巧创造，雕栏画拱，行如平地。”南宋诗人林升在诗《题临安邸》对当时的盛况做了生动的描绘。另外，诗人杨万里也曾作诗《晓出净慈寺送林子方》，盛赞西湖美景。
西湖元明清时期
元朝，西湖依然是歌舞升平的“销金窟”。据《元史》卷23记，在至大二年（1309年），“江浙杭州驿，半岁之间，使人过者千二百余，有桑兀、宝合丁等进狮、豹、鸦、鹘，留二十有七日，人畜食肉千三百余斤。”西域和西欧各国的商人、旅行家，来杭州游览的增多。最为闻名的有意大利旅行家马可·波罗，他在游记中称赞杭州是“世界上最美丽华贵”的“天城”。元朝后期，继南宋“西湖十景”，又有“钱塘十景”，游览范围比宋朝有所扩大。元世祖至元期间，曾一度疏浚西湖，作放生池，部分湖面又逐渐葑积成桑田。但到了元朝后期，西湖疏于治理，富豪贵族沿湖围田，使西湖日渐荒芜，湖面大部分被淤为茭田荷荡。
直到明朝宣德、正统年间（1426年—1449年），杭州开始恢复繁荣，地方官也才开始关注西湖。弘治十六年（一说：正德三年，即1508年），知州杨孟瑛冲破来自豪富们的巨大阻力，在巡按御史车粱支持下，奏请疏浚西湖，由工部拨款。据明《西湖游览志》卷一载：“是年二月兴工，……为佣一百五十二日，为夫六百七十万，为直银二万三千六百零七两，拆毁田荡三千四百八十一亩……，自是西湖始复唐宋之旧。”疏浚工程使苏堤以西至洪春桥、茅家埠一带尽为水面，疏浚挖出的葑泥，除加宽苏堤外，在里湖西部堆筑长堤，后人称杨公堤。
万历三十五年（1607年），钱塘县令聂心汤在湖中的小瀛州放生池外自南而西堆筑环形长堤，形成的独特景观。三十九年，杨万里继筑外埂，至四十八年而规制尽善。池外造小石塔三座，谓之三潭。
清朝，因康熙、乾隆两皇帝多次南巡到杭州，促进西湖的整治和建设。康熙五次到杭州游览，并为南宋时形成的“西湖十景”题字，地方官为题字建亭立碑，使“双峰插云”、“平湖秋月”等未定点的景目，有了固定的观赏位置。雍正年间，还推出“西湖十八景”，使杭州的游览范围进一步拓展。乾隆六次到杭州游览，又为“西湖十景”题诗勒石；又题书“龙井八景”，使偏僻山区的龙井风景为游人注目。乾隆年间，杭州人翟灏、翟瀚兄弟合著《湖山便览》一书，记载西湖游览景点增加到1016处，为杭州最早的导游书籍。乾隆年间兴建的北京皇家园林颐和园的昆明湖东西两堤也是模仿西湖苏堤六桥而建的。
明清两代，西湖又经历了几次疏浚，挖出的湖泥堆起了湖中的湖心亭、小瀛洲两个岛屿。
雍正年间，西湖面积尚有7.54平方公里，但葑滩20多公顷，经过大规模的疏浚后，面积广及近代的西山路以西至洪春桥、茅家埠、乌龟潭、赤山埠一带。雍正五年（1727年），浙江巡抚李卫用银四万二千七百四十二两，开浚西湖湖道，在金沙港、赤山埠、丁家山、茅家埠筑石堰各一座，用以蓄泄沙水入湖。嘉庆五年（1800年），浙江巡抚颜检奏浚西湖兴修水利，后由浙江巡抚阮元主持，用疏浚挖出的泥土堆筑土墩（即阮公墩）。至此，现代西湖的轮廓已经形成。同治三年（1864年），创立西湖浚湖局，委钱塘丁丙主事。
西湖近代时期
自清朝末期至中华民国迁台前时期，沪杭、杭甬、浙赣等铁路线以及杭州至上海、南京、宁波等地的公路相继建成，便利的交通条件促进了杭州旅游的发展。除传统的香客外，上海、南京等地游客以及欧美、日本等国的游客也日渐增多。《杭州市政府十周年纪念特刊》记载，民国19—25年（1930—1936年）外地人到访杭州累计为32,845人。
民国时期杭州旅游资源日益丰富，西湖景点和文物古迹不断增多。政府将孤山的清朝行宫中的御花园辟为公园，民国16年，改称中山公园，公园左侧辟为浙江忠烈祠，祀浙军攻克金陵阵亡将士，还在西泠桥附近建徐锡麟、秋瑾等烈士墓。
民国6年，修建了灵隐寺的大悲阁，数次翻修岳王庙、岳坟。
民国12—20年间，修建黄龙洞。
民国12—13年，修整倾废的钱王祠，并构筑园林。
民国22年，修护已倾斜的保俶塔。
民国时期，杭州的公园建设始于湖滨公园。
1912年浙江军政府拆除钱塘门至涌金门城墙和旗营城垣，沿湖筑湖滨路，离湖20米处设栏，广种花木，称湖滨公园。长约一里的湖滨公园共分为一至五公园。
1922年8月29日至30日，中国共产党在西湖举行特别会议，决定有条件地同意共产党员以个人名义加入中国国民党，促进了第一次国共合作，史称“西湖会议”。
1930年春，杭州市政府在长生路之北至钱塘门头，用浚湖之泥填为平地，约21亩余，辟为六公园。1928—1933年，浙江省政府分别在第三公园码头、第二公园码头和第五公园码头建立“陈英士像”、“北伐阵亡将士纪念塔”和“八十八师淞沪战役阵亡将士纪念碑”。
1924年9月25日下午1时40分，有近千年历史的雷峰塔因塔基长期遭盗挖而倒塌，惊动社会舆论。鲁迅为此还特地两度撰文评论此事，而“雷峰夕照”也因此有名无实。
1929年6月6日—10月20日，浙江省政府举办首届西湖博览会，参观人数总计达2千余万人次。博览会会址设在断桥、孤山、岳王庙、北山等沿湖地区，旨在提倡国货、奖励实业，除全国一千多个代表团外，还有美国、日本、英国、印尼等国组团参观，为民国时期杭州规模最大、时间最长的盛会。
1937年3月下旬，蒋介石与周恩来在西湖边的烟霞洞举行秘密会谈，商讨建立抗日民族统一战线，奠定了第二次国共合作的基础，史称“西湖会谈”。
西湖解放后
中华人民共和国成立后，杭州为全国最早对外开放的旅游城市之一。杭州市政府实行封山育林，植树绿化，对西湖进行全面疏浚。在西湖风景区，开辟植物园、花圃，兴建花港观鱼、柳浪闻莺公园，改建玉泉观鱼、涌金公园，整修灵隐寺、净慈寺、岳庙、三潭印月、湖心亭、印月亭等风景点，在亭子里还可以看见好多的鱼。修筑环湖西路（西山路）、龙井路、九溪路。
1959年杭州西湖共接待外国游客1,400余人，港澳同胞2,300余人，国内游客500余万人次。
杭州西湖的秀丽风光得到了国家最高领导人的青睐。这其中尤以毛泽东经常下榻的刘庄（现为西湖国宾馆）、汪庄（现为西子国宾馆）和林彪建造的七零四工程（现为浙江宾馆）最为知名。
1953年12月末，毛泽东在杭州西湖边的刘庄（一说汪庄），主持起草了第一部《中华人民共和国宪法》。
1972年2月末，美国总统尼克松与周恩来在刘庄的八角亭内草签了《中美联合公报》，这是中美外交史上的一个里程碑。
“文化大革命”后，来西湖旅游人数迅速增加，1978年接待外宾、港澳同胞共计5.3万人次，国内游客约有600万人次。
1983年5月，国务院明确杭州为“历史文化名城和全国重点风景旅游城市”。
1984年9月，国务院办公厅指出：“把杭州建设成为我国东南部的旅游中心和国际上第一流的风景旅游城市”。此后，杭州政府修复灵隐寺、天竺寺、净慈寺、岳庙、大成殿和“西湖十景”碑亭等古迹，扩建虎跑等名胜，新建曲院风荷等公园，开辟“灵峰探梅”景点，在黄龙洞、阮公墩创办仿古游乐活动，还办起夜花园、音乐夜市等夜游活动。
1949年时，西湖污泥淤塞，湖水平均深度仅0.55米，湖底水草遍生，大型游船很难畅行。
1976年，国家拨专款200万元，开始第二次疏浚西湖。结合驳墈还整修或新建湖滨公园、中山公园、岳坟、苏堤两侧等供游船停靠的大小埠头10余处。另外，1978年至1985年期间，西湖还进行了环湖污水截流工程和西湖引水工程，提高了西湖水体的质量。
1984年，杭州日报社等五家单位发起新西湖十景评选活动。由于兼具优美的自然风光和悠久的人文底蕴，杭州西湖在1982年被评选为首批国家重点风景名胜区，并在1985年入选中国十大风景名胜。2000年，时隔71年后，西湖博览会再度在西子湖畔举行。新西湖博览会（正式名称为“中国杭州西湖国际博览会”）共接待国内外游客140万人次，旅游收入达11.2亿人民币。此后，西湖博览会被确定为杭州一年一度的大型会议展览活动。
西湖21世纪
进入二十一世纪，数项整治西湖环境的大型工程被启动。首先是“西湖南线整合工程”。2002年2月至10月，杭州对西湖南线的四大公园（柳浪闻莺、老年公园、少年公园、长桥公园）进行整合。共拆除围栏2.25公里，拆除建筑6.57万平方米，开挖水系2.60万平方米，新种乔木8000株，草坪和地被植物4.5万平方米。四大公园均实现二十四小时免费开放。杭州西湖是中国首家也是至今唯一一家不收门票的5A级景区。
同年10月25日，在78年前倒塌的雷峰塔旧址上，71.7米高的新雷峰塔建成竣工。从此，雷峰塔与保俶塔“南北相对峙，一湖映双塔”的美景重现西湖，缺失了近80年的西湖十景自此成为完整的全景。
2002年底，杭州市政府启动“西湖西进工程”（即杨公堤景区）、新湖滨景区和梅家坞茶文化村等三大综合整治保护工程。在杨公堤景区建设中，主要恢复了茅家埠、乌龟潭等共计70公顷的水面面积，并与西里湖互相沟通，改善和复原了周边的生态湿地。西湖水面已由原先的5.6平方公里扩大为6.5平方公里，基本上达到了300年前西湖的面积。新湖滨景区包括从断桥起，沿白沙路、圣塘闸、环城西路、湖滨路至二公园的沿湖地带，工程将湖滨机动车通道移入地下隧道，路面改造成为综合性休闲购物步行街。梅家坞地处西湖风景区腹地，为西湖龙井茶的重要产地，通过本次整治，景区恢复了茶文化和农家旅游的风格。2003年起，靠近湖滨路与平海路交叉口附近的西湖水面上建立了音乐喷泉系统，吸引了大批游客前去观赏。
2004年国庆节起，杭州花圃、曲院风荷、花港观鱼公园免费向游客和市民开放。加上2002年开放的南线四大公园，西湖沿线成了开放式大公园。2009年3月20日，太子湾公园免费对游客开放。2014年1月中旬起，杭州市政府开始对包括西湖景区在内的高档会所等服务场所展开关停整改等专项行动，以实现“还湖于民，还园于民，还景于民”的反腐和走群众路线工作目标。
西湖列入世界遗产
2011年6月24日在法国巴黎举办的第35届世界遗产大会上，“杭州西湖文化景观”正式列入世界文化遗产名录。被列入目录的景观范围共计3322.88公顷（包括“西湖十景”以及保俶塔、雷峰塔遗址、六和塔、净慈寺、灵隐寺、飞来峰造像、岳飞墓/庙、文澜阁、抱朴道院、钱塘门遗址、清行宫遗址、舞鹤赋刻石及林逋墓、西泠印社、龙井等其他文化史迹均在这个景观范围之内），缓冲区7270.31公顷，列入的依据标准包括(ii)（即在某期间或某种文化圈里对建筑、技术、纪念性艺术、城镇规划、景观设计之发展有巨大影响，促进人类价值的交流）、(iii)（即呈现有关现存或者已经消失的文化传统、文明的独特或稀有之证据）、(vi)（即具有显著普遍价值的事件、活的传统、理念、信仰、艺术及文学作品，有直接或实质的连结）。
杭州西湖文化景观是浙江省境内的首例世界文化遗产，同时也是继江山江郎山（中国丹霞的一部分）后，省内的第二处世界遗产。
