伶仃洋，又称“零丁洋”、“珠江口”，其名称起源有多种说法[9] 。
伶仃洋古称“零丁洋”，因零丁山而得名。一般认为“零丁洋”为出海的渔民所取，出了这里，大海茫茫，零丁孤苦的感觉油然而生[16] 。宋代以前，古人通常将伶仃洋泛称“南海”[58] 。清初屈大均纂《广东新语》记载：“秀山之东，有山在赤湾之前，为零丁山，其内洋曰小零丁洋，外洋曰大零丁洋[11] 。”清雍正郝玉麟修、鲁曾煜纂《广东通志》记载：“零丁山，在赤湾前海中，距城二百里，高一百丈，周围五里，四面环海，下为零丁洋[11] 。”
最早标注“伶仃洋”的地图是明万历《苍梧总督军门志·全广海图》。这幅海防图的“屯门澳”（今香港青山）旁边标注有“伶仃洋”，北边则绘出“南头”，即现在的深圳南山区。清康熙二十二年（1683年），工部尚书杜臻奉旨巡视广东和福建海疆，他在《粤闽巡视纪略》中写道：“新安城南，水程而十里，至伶仃山，山外即伶仃洋”，将零丁洋称为“伶仃洋”[11] 。
据《江河日月长：南沙地名故事·珠江口虎门传说》中记载：“母子二虎被龙王镇锁在江心，不得活动，只能终日对着南海哀叹，颇有孤苦伶仃之感，于是，后人便将珠江外水域称之为‘伶仃洋’[10] [67] 。”
在6000~5000年前，伶仃洋属于海湾一部分。其后，由于珠江水系来沙，逐渐将海湾淤填；至10~15世纪，西北江三角洲平原与五桂山、黄杨山、牛牯岭一带连成一片滩地，形成今日伶仃洋雏形。后在虎门、蕉门、洪奇门和横门水道共同作用下形成的浅滩逐渐成陆，并不断向外海延伸，使伶仃洋日趋淤浅，沿岸围垦造地也致原有的水域成为陆地，许多浅滩已不复存在[2] 。改革开放后，内伶仃洋围海造地迅猛，伶仃洋地形演变已进入人为作用渐占主导的阶段，滩涂扩大，深槽变窄淤浅[185] 。
燕山运动使华南准地台活化，发生数次大规模的岩浆侵入，花岗岩体构成山地丘陵及基岩岛的基础，产生北东50°~60°及北西320°~340°区域性大断裂，北西向的白坭—沙湾断裂的南延制约了伶仃洋的走向，而北东向樟木头大断裂由沙井附近通过伶仃洋至平岚外延，现代山势和岛屿多依此方向分布，新生代喜马拉雅运动的影响主要表现为断裂，在北邻产生狮子洋断陷盆地。因湾头沙角东部仍残留有华南较普遍的盆地堆积红层露头，山地丘陵区有几级层状地形，故当时伶仃洋地区也可能是断陷盆地。古珠江在第三纪时已穿过本区，更新世末至早全新世低海面时期，珠江古河谷延经本区[172] 。