Biển Chết nằm trong đứt gãy Biển Chết, nó là một phần của vết nứt dài trên bề mặt Trái Đất có tên gọi Đại Thung Lũng. Đại Thung Lũng dài 6.000 km (3.700 dặm) kéo dài từ dãy núi Taurus ở Thổ Nhĩ Kỳ tới thung lũng Zambezi ở miền nam châu Phi. Đại Thung Lũng được hình thành từ thời kỳ thế Miocen (5,3-23 triệu năm trước trong Phân đại đệ tam) do kết quả của sự chuyển dịch của đĩa kiến tạo Arabia về phía bắc và sau đó về phía đông ra xa khỏi châu Phi.

Khoảng 3 triệu năm trước thì cái mà ngày nay là thung lũng sông Jordan, biển Chết và Wadi Arabah/Nahal Arava đã liên tục bị tràn ngập nước từ Địa Trung Hải. Nước đã tạo ra một vịnh hẹp và quanh co, thông ra biển cả bằng cái mà ngày nay là thung lũng Jezreel. Các trận ngập lụt ở thung lũng này lên và xuống phụ thuộc vào các thay đổi khí hậu trong một thời gian dài. Hồ bị chiếm giữ bởi đứt gãy Biển Chết có tên gọi là "hồ Sodom", tạo ra các lớp muối trầm tích mà cuối cùng dày tới 3 km (2 dặm).

Theo thuyết địa chất, khoảng 2 triệu năm trước các vùng đất nằm giữa Đại Thung Lũng và Địa Trung Hải được nâng lên đến mức mà đại dương không còn khả năng gây ngập úng cho khu vực này nữa. Vì thế, vịnh dài đã trở thành một hồ dài.

Hồ thời tiền sử này có tên gọi "hồ Gomorrah". Hồ Gomorrah đã từng là hồ nước ngọt hay nước lợ dài ít nhất 80 km (50 dặm) vè phía nam của phần kết thúc hiện tại của biển Chết và 100 km (60 dặm) về phía bắc, vượt qua cả vùng đất lún Hula ngày nay. Khi khí hậu trở nên khô cằn hơn, hồ Samra co lại và trở nên mặn hơn. Hồ lớn chứa nước mặn là tiền nhiệm của biển Chết có tên gọi là "hồ Lisan".

Trong thời tiền sử một lượng lớn trầm tích đã tích tụ lại dưới đáy hồ Gomorrah. Các trầm tích này nặng hơn so với muối trầm tích và ép cho các trầm tích muối trồi lên trên vào cái ngày nay gọi là bán đảo Lisan và đỉnh Sedom (ở phía tây nam của hồ). Các nhà địa chất giải thích hiệu ứng này theo kiểu thùng bùn trong đó các tảng đá phẳng lớn được xếp đặt và ép bùn to lên trên theo các vách của thùng". Khi đáy biển Chết tụt xuống sâu hơn nữa do các lực kiến tạo thì các đỉnh núi chứa muối ở Lisan và đỉnh Sedom đã nằm tại các khu vực trên các vách đá cao. (Xem các đồi muối)

Thời kỳ khoảng 23.000 đến 18.000 năm trước là một thời kỳ rất khô hạn và mức nước bề mặt của hồ Lisan tụt xuống tới điểm còn thấp hơn cả bề mặt biển Chết ngày nay. Ở mức thấp nhất của hồ này thì bề mặt của nó đã nằm ở cao độ dưới 600 m (2.100 ft) so với mực nước biển.

Khoảng 12.000 năm trước thì mức nước trong hồ Lisan nhỏ bé đó bắt đầu dâng lên. Khoảng vài ngàn năm trước thì biển Chết đã chỉ lớn bằng khoảng khu vực lòng chảo phía bắc ngày nay của nó. Khu vực lòng chảo phía nam đã không tồn tại cho đến tận cuối thời Trung cổ.

Phần phía bắc của biển Chết nhận được chỉ khoảng 100 mm (4 inch) nước mưa trong một năm. Phần phía nam còn ít hơn (50 mm hay 2 inch). Sự khô cằn của khu vực biển Chết là do hiệu ứng chặn mưa của dãy núi Judea. Khu vực cao nguyên ở phía đông biển Chết nhận được lượng mưa lớn hơn so với biển Chết.

Các dãy núi ở phía tây – dãy núi Judea – có độ dốc đứng từ phía biển Chết thấp hơn so với các dãy núi ở phía đông. Các dãy núi phía đông cũng cao hơn. Dọc theo phía đông nam của hồ là dãy đồi cao 210 m (700 ft) chứa muối gọi là "đỉnh Sedom".