Các biển nội địa nông giống như biển Bắc hiện tại từng tồn tại trong một thời gian dài trên thềm lục địa châu Âu. Việc tách giãn đã hình thành nên phần phía bắc của Đại Tây Dương trong suốt kỷ Jura và kỷ Creta, cách đây khoảng 150 triệu năm, gây ra bởi nâng kiến tạo hình thành nên quần đảo Anh.[43] Kể từ đó, vùng biển nông hầu như kéo dài liên tục hình thành giữa những khu vực cao của Fennoscandian Shield và quần đảo Anh.[44] Tiền thân này của biển Bắc ngày nay đã phát triển và thu hẹp cùng với sự nâng lên và hạ thấp của sự dao động mực nước biển theo các thời kỳ địa chất. Đôi khi nó nối thông với các vùng biển nông khác như vùng biển phía trên bồn trũng Paris nằm ở tây nam, biển Paratethys ở đông nam, hoặc đại dương Tethys ở phía nam.[45]

Trong suốt thời kỳ Creta muộn, cách nay khoảng 85 triệu năm, tất cả phần đất liền của châu Âu hiện tại trừ Scandinavia là một nhóm các đảo phân tán.[46] Cho đến đầu Oligocene, 34-28 triệu năm, sự xuất hiện của Tây và Trung Âu đã tách biệt hoàn toàn với biển Bắc với đại dương Tethys, đại dương này dần dần co lại để trở thành Địa Trung Hải như Nam Âu và Tây Á trở thành vùng đất khô.[47] Biển Bắc bị tách biệt với eo biển Manche bởi một cầu đất hẹp cho đến khi nó bị phá vở bởi hai trận đại hồng thủy cách đây 450.000 và 180.000 years ago.[48][49] Khi bắt đầu kỷ Đệ tứ cách đây 2,6 triệu năm, mực nước biển cổ đã bị hạ thấp trong suốt các thời gian đóng băng và sau đó dâng lên trong thời gian băng tan. Mỗi khi các lớp băng đạt đất diện tích lớn nhất, biển Bắc trở nên khô hoàn toàn. Đường bờ biển hiện nay được hình thành sau thời kỳ băng hà gần đây nhất khi biển bắt đầu bị ngập lụt thềm lục địa châu Âu.[50]

Năm 2006, một mảnh xương được phát hiện trong khi khoan thăm dò dầu khí ở biển Bắc. Kết quả phân tích cho thấy rằng nó là Plateosaurus sống trong giai đoạn cách đây khoảng 199 - 216 triệu năm. Đây là xương khủng long bị chôn vùi sâu nhất từng được phát hiện và lần đầu tiên phát hiện ở Na Uy.[51]