約10,000年前の氷河時代にはこの地域は氷河に覆われていた。これらの湖の成因は、氷河時代が終わって氷河が溶け、それに伴って土砂が流出して土地が削られ、そこに水がたまったことであるといわれる。
北緯42-50度と全般的に緯度が高く、かつ内陸であるため、夏は冷涼で、冬は非常に寒い。ケッペンの気候区分では五大湖・セントローレンス水系の全域がDf(亜寒帯湿潤気候)に属する。スペリオル湖北岸やセントローレンス川の河口付近では平均気温摂氏10度以上の月が4ヶ月に満たない。あまりに寒いため、五大湖はその大きさにもかかわらず、ほとんどの部分が冬季には結氷する。そのため五大湖を経由する河川運輸は冬には停止される。湖岸域の氷の厚い部分の氷上での天然のアイススケートは冬の風物詩である。
また、シカゴの別名をWindy Cityということからもわかるように、五大湖周辺は(特に冬場の)風が強いことでも有名である。また、湖の影響で大気の湿度が増し、とりわけ風下にあたる東岸のミシガン州・オンタリオ州・ニューヨーク州ではブリザードが吹き荒れ、大量の降雪が見られる。これはシベリア気団が日本海を通過する際に湿度を増し、日本の北陸地方に大雪を降らせるのに似ている。一方、夏場には湖の水が冷却水の役割を果たし、周辺を涼しくしている。

