Les Grands Lacs forment le plus important groupe d'une série de vastes lacs (incluant les lacs Winnipeg, Athabasca, le Grand lac des Esclaves et le Grand lac de l'Ours) longeant l'extrémité sud du Bouclier canadien. Les Grands Lacs sont constitués, d'ouest en est, des lacs SUPÉRIEUR, Michigan (entièrement situé aux États-Unis), HURON, SAINT-CLAIR, ÉRIÉ et ONTARIO. Ils ont une superficie totale d'environ 246 050 km2 et leur élévation passe de 183 m au-dessus du niveau de la mer au lac Supérieur, à 74 m au lac Ontario. La plus impressionnante dénivellation est celle des CHUTES NIAGARA. Bien qu'il ne soit pas à proprement parler un « grand lac », le lac Saint-Clair est considéré comme faisant partie de cette chaîne lacustre. Peu de traces subsistent des événements géologiques qui ont marqué la région des Grands Lacs entre la fin de l'ère pennsylvanienne et la fin de l'ère tertiaire, après le retrait des mers paléozoïques qui recouvraient presque tout le continent. Bien que d'importantes vallées fluviales aient vraisemblablement traversé la région, on a retrouvé dans le secteur des Grands Lacs aucune trace des surfaces d'érosion de l'ère tertiaire visibles en Illinois et au Wisconsin, et les reconstitutions des bassins de drainage préglaciaire sont incertaines. Les Grands Lacs sont situés à proximité de l'intersection des bassins hydrographiques de la baie d'Hudson et des fleuves Mississippi et Saint-Laurent. En raison de la capture progressive des eaux d'amont par le Mississippi, la ligne de partage des eaux du bassin du Mississippi n'est maintenant qu'à environ 10 km des rives Sud des lacs Érié et Michigan, et à environ 20 km seulement de l'extrémité ouest du lac Supérieur. Le relèvement isostatique postglaciaire continue de se faire sentir sur la rive Nord des Grands Lacs, à raison de 0,4 m par siècle, par rapport à la rive Sud des lacs Érié et Michigan.

L'érosion différentielle du substratum rocheux par les glaciers a créé les bassins où se trouvent les Grands Lacs : leur forme et leur emplacement sont liés aux structures géologiques de la région. Les lacs Huron et Michigan ont une forme arquée qui coïncide avec la périphérie de la cuvette synclinale du Michigan. Les calcaire et dolomie siluriens plus résistants de l'ESCARPEMENT DU NIAGARA séparent la BAIE GEORGIENNE et la baie Green des principaux lacs. La forme du lac Supérieur est régie par les formations précambriennes alors que celle des lacs Érié et Ontario est influencée par l'orientation du géosynclinal appalachien sous-jacent.

Au cours de la dernière période glaciaire (d'une durée de plus d'un million d'années), il y a eu quatre glaciations, au cours desquelles les bassins lacustres se sont élargis. Vers la fin de la dernière glaciation (Wisconsin), les lacs ont commencé à se former, au fur et à mesure que les glaces se sont retirées, tout d'abord dans les bassins Érié et Michigan. Il y a plus de 14 000 ans, les lacs se drainaient vers le sud par le Mississippi. Par la suite, un lac s'est formé dans la partie Sud du bassin Huron établissant le lien entre Érié, Huron et Michigan. Il existait également un déversoir à la rivière Hudson (au sud du bassin Ontario). Le bassin Ontario s'est libéré de ses glaces il y a environ 12 000 ans, suivi du lac Supérieur et de la baie Georgienne. La présence de marges glaciaires a favorisé la formation initiale de lacs à haute altitude. À une époque, un seul lac couvrait la majeure partie du secteur supérieur des Grands Lacs (Supérieur, Michigan et Huron). Au fur et à mesure que les glaces se sont retirées vers le nord, les lacs se sont déversés par de nouveaux exutoires, à des élévations de plus en plus basses. Il s'est produit notamment une baisse de 150 m dans le bassin Ontario, lorsque la vallée du Saint-Laurent s'est dégagée, il y a 11 500 à 12 000 ans. Un relèvement continu depuis les 10 000 dernières années a entraîné le drainage de la région supérieure des Grands lacs vers les lacs Saint-Clair et Érié, et enfin vers le lac Ontario, il y a 4 000 à 5 000 ans seulement, alors que la décharge de Chicago (lac Michigan) se fermait.

Depuis les débuts du commerce de la fourrure, les Grands Lacs ont été une importante voie de transport vers l'intérieur du continent, et plus récemment, avec l'ouverture de la VOIE MARITIME DU SAINT-LAURENT (1959), ils sont devenus une véritable voie maritime internationale.