Последующая история Каспийского моря относится уже к четвертичному периоду, когда в нем появилась фауна, близкая современной.
В начале четвертичного периода после сокращения моря наступило новое расширение его границ. На месте Каспия располагался Бакинский бассейн, значительно более обширный, чем современный. По Кумо-Манычской впадине он соединялся с Чаудинским морем, занимавшим впадину современного Черного моря. Уровень Каспийского и Черного морей был одинаковым и стоял довольно высоко. Воды Черного моря вливались через долины Босфор и Дарданеллы в Средиземное море.
Позднее уровень Средиземного моря повысился, и по тем же долинам его воды вторглись в Черное море.
В конце бакинского и последующее время (хозарское) в Каспий впадала река Пра-Аму-Дарья («Пра» означает — древняя), протекавшая по низменной части Кара-Кумов, там, где сейчас расстилаются безбрежные просторы песчаной пустыни. Впоследствии эта река повернула на север и затопила впадину современного Аральского моря. Избыток речных вод устремился в обширную Сарыкамышскую впадину, а из нее в виде новой реки — Узбоя — на юг и юго-запад, к Каспию. Это было в так называемое хвалынское время, когда на смену сократившемуся морю пришел обширный Хвалынский бассейн.
В раннехвалынское время уровень моря повысился очень сильно и был на 70–75 метров выше современного; затем уровень понижался довольно неравномерно, и Узбой, следовавший за отступавшим морем, прорезал долину почти до того места, где сейчас расположен город Красноводск.
Хвалынское море было более опреснено, чем современный Каспий, так как многочисленные реки несли в него талые ледниковые воды.
После сокращения Хвалынского бассейна возникло Ново-Каспийское море, близкое по своим условиям и фауне современному. Это относится уже к началу исторического времени, отстоящего от нас на 2–3 тысячи лет.
Расширение и сужение древнего Каспия, смена одного бассейна другим и связанное с этим развитие своеобразной фауны моря объясняется различными причинами. Ранее оно было связано с поднятием и опусканием земной коры на юге нашей страны, с начала четвертичного времени с развитием великих оледенений на Русской равнине и на прилегающих к морю горах. Таяние ледников повышало уровень моря.
В наше время климатические изменения в районе как самого моря, так и в его обширном бассейне остаются главной причиной колебания уровня Каспийского моря. С поверхности Каспия испаряется в год более 400 кубических километров воды. Это равно слою воды толщиною почти в 90 сантиметров. Соотношение между притоком пресных вод и испарением с поверхности моря все время меняется.
Уровень современного Каспия почти на 28 метров ниже уровня океана.
Около 100 лет тому назад уровень моря был более чем на 3 метра выше современного. Известны также и значительные падения уровня. Особенно низко стоял Каспий в VI веке: он был на 4 метра ниже современного. В некоторых районах на дне Каспия видны затопленные леса и различные постройки.
На картах начала XX века показаны большие заливы на севере Каспия, а на юге — остров Челекен. С 1929 по 1945 год уровень Каспия понизился на 2 метра. Челекен стал полуостровом. На севере Каспия сократился залив Комсомолец, а Кайдак исчез, оставив после себя болота. Исчез залив Гасан-Кули. Падение уровня моря отражается на характере дельт. Уменьшилось количество проток. Дельты быстро растут в стороны моря. Многие рыбацкие села и рыбоприемные пункты оказались в 20–30 километрах от воды. Деятельность громадного индустриального района нашей страны, тяготеющего к Каспийскому морю, зависит от изменений его уровня. Приходится перестраивать порты.
Площадь Каспийского моря более 400 тысяч квадратных километров.
Условия жизни в Каспии не везде одинаковы. В северной части море очень мелкое: глубина здесь менее 100 метров, а воды сильно опреснены Волгой и Уралом. В богатой питательными веществами и хорошо прогреваемой воде в изобилии развиваются различные живые существа.
Зимою вся северная часть моря замерзает. Льды Северного Каспия настолько плотные, что они препятствуют нормальному судоходству.
Средняя и южная части Каспия глубокие. На юге встречаются глубины почти в тысячу метров. Вода здесь имеет соленость 12–14 ‰. По сравнению с океанской в каспийской воде меньше хлора и натрия, зато больше кальция, магния и особенно сернокислых соединений. Соленость вод этого моря так своеобразна, что ее выделили в особый — «каспийский» тип.