庙岛群岛不仅有着秀丽的风光，还有着一部古来的地质变迁。据地质学家考证，他原来并非海中之岛，而是与胶辽大陆相连的陆地，俗称“胶辽地盾”。

天荒地老，沧桑多变。大约在距今1亿4千万年前的燕山构造运动中，隆起的胶辽地盾，由于发生了一系列地层的断裂，而受到剧烈地错动和锯割。以后的喜马拉雅山造山运动又使胶辽大地的接合部位加剧了断裂、褶皱。在凹陷中，渤海地幔逐步下沉，形成一系列狭长的湖泊、洼槽和凹陷盆地。地球进入最近的一个地质年代——第四纪（即人类纪）以后，依然发生着巨大的变化。尤其是以多次出现寒暖更替的冰期和间冰期相交互为主要特征的古气候，导致了海面的升降，海水的进退，使渤海一带发生过3次较大的海侵和海退，庙岛群岛也随之几经沉浮。

在距今大约10万年左右的“庐山冰期”过后，气候进入间冰期的温暖阶段。原来储存在两极和高纬度的冰川，大量消融，海水量增大，海面上升。最后，海水终于冲越过横亘胶辽之间断陷低凹的沟谷，向着古渤海盆地和华北平原涌来，据地质专家在渤海西岸的海相沉积层中钻孔证明，这次海侵，大水漫过了津浦路，一直淹没了沦州。这在地质史上称：“沦州海侵”。沦州海侵把胶辽地盾残留的山丘，分离“浮起”，孤于汪洋大海之中。

滔滔的渤海水占据渤海几万年，大约从距今7万年开始，“大理冰期”来临，大地骤寒，冰雪禁锢，禽兽匿迹。以海水蒸发为来源的陆地降水，大部分不能流回海洋。于是，昔日被淹没的海底又见青天，庙岛群岛与千里平原炼成一片。

在距今大约4万年左右，寒冷的气候在次转暖，“大理冰期”过去，随之而来的是海侵。据地质资料考证，这次海侵其间，庙岛群岛基本埋在水下，只有少数山头星罗其上。献县海侵过后，地球气候仍受寒冷控制，仍以海水退为主要形式。喜欢寒冷的大型哺乳动物，如猛犸象、披毛犀等，又来带渤海沼泽区域活动。

距今一万年左右全新世地质时期，地球的气候虽然有寒暖波动，但总的属于一个冰后期的温暖阶段。因此，海面再次上升。滔滔的海水冲刷着渤海海峡的谷沟底槽，一直漫溢到黄骅、静海、天津一带。所以，称“黄骅海侵”。海侵再次使“胶辽地盾”淹浸分离成为现在的格局，只是海岸线较之现在多出许多。

黄骅海侵全盛时期过后，渤海一带又呈海退形式。据考证，距今3千年的商代，海岸线仍继续下降，直至唐初时期（距今1300年前）庙岛群岛的海岸线才降到比现在略高的地方。潮涨潮落，星转斗移，又经过千多年的变迁庙岛群岛始有今日。