Njihova geološka podlaga je nastala pred tremi milijardami let v predkambriju, ko so se pojavila stara nagubana gorstva. V paleozoiku je bila večina Severne Amerike pod morjem, kjer so se odloženi delci sprijemali v apnence. Večina apnencev je bila odstranjena v času ledenih dob, ko je pokrajino skoraj v celoti prekrival Arktični ledeni pokrov, ki je poglobil tektonsko nastale kotanje v starih neprepustnih kamninah.

Dandanes je površje v severnem delu pojezerja erodirano vse do stare neprepustne podlage, južne predele pa prekrivajo ledeniški nanosi. Z geomorfnimi procesi je pokrajina sčasoma dobila mehke poteze, tako da je značilno rahlo valovito gričevnato površje, ki se zaradi razbremenjenosti teže nekaj kilometrov debele ledeniške gmote še vedno postopoma dviga.

Nastanek jezer je torej pogojeval umik ledenega pokrova, zato so vsa ledeniškega izvora. Vode iz talečega ledu so zapolnile vdolbine pred ledeno kapo, ki je sprva še zapirala pot snežnici proti Zalivu svetega Lovrenca, tako da je jezernica odtekala po porečju Misisipija v Mehiški zaliv. Ob umikanju ledenega pokrova so bila jezera še precej večja kot zdajšnja Velika jezera. Ko se je led umikal, si je voda iz jezer pred približno 10.000 leti utrla pot v severni del Atlantskega oceana, kamor še vedno odteka. Z izjemo eriejske so vse jezerske kotanje kriptodepresije, kar pomeni, da so dna jezer pod gladino svetovnega morja, gladina jezer pa je nad njo.

Jezera so praviloma mlada in kratkotrajna geološka oblika, saj, gledano geološko, obstajajo dokaj kratek čas, tisoč, deset tisoč, morda sto tisoč let. Nastanku sledi obdobje umiranja, saj se njihove kotanje stalno zasipavajo, nekatere hitreje, druge počasneje. Jezera so tipična območja nasipavanja gradiva in tudi Velika jezera niso izjema.

Velika jezera so del porečja Reke svetega Lovrenca. Sestavlja jih sistem z rekami in s prekopi povezanih petih jezer, ki si sledijo v naslednjem zaporedju: Gornje jezero (Lake Superior), Michigansko jezero (Lake Michigan), Huronsko jezero (Lake Huron), Eriejsko jezero (Lake Erie) in Ontarijsko jezero (Lake Ontario). Sem lahko štejemo še Jezero svete Klare (Saint Clair Lake), ki pa je po velikosti precej manjše od drugih jezer. Skupaj imajo skoraj 16.000 km dolgo obalo in obsegajo površino 245.000 km2, medtem ko je površina njihovega pojezerja 522.000 km2. Skupaj zadržujejo okoli 23.000 km3 vode, kar je skoraj petina (18 %) vseh zalog pitne vode na svetu. Odtok jezerske vode iz Velikih jezer je v primerjavi s količino vode v njih sorazmerno skromen.

Gladine jezerske vode so stabilne, z nižki pozimi, ko dotok zmanjša snežni zadržek, in z viški poleti, po spomladanskem deževju. V zadnjih sto letih je opazna težnja naraščanja gladine vseh jezer, in to kljub temu, da se zdaj njihova gladina umetno uravnava s prekopi in z vmesnimi zapornicami.

Kot za vsa jezera v zmernem pasu so zaradi specifičnih lastnosti vode, ki ima največjo gostoto pri 4 stopinjah Celzija, tudi za Velika jezera značilna štiriletna obdobja stanja jezerske vode, v katerih se pojavljajo štiri različna stanja navpične temperaturne plastovitosti.

Spomladi se zgornja plast pozimi mrzle vode segreje in pri 4 °C začne toniti, na njeno mesto pa prihaja voda iz nižjih plasti. Tako postane vsa voda v jezerih za nekaj časa enako topla, kar omogoča vetrovom, da vodo popolnoma premešajo. S kisikom bogata voda s površine jezera zamenja vodo na dnu jezer. Takšno stanje imenujemo pomladanska homotermija, za katero je značilna dokaj enaka temperatura vode v celotnem jezeru.

Proti poletju se površinske in obalne vode močno segrejejo. Ker zaradi manjše specifične teže ostajajo na površju, je onemogočeno mešanje z nižjimi vodnimi plastmi. Nastane poletna temperaturna plastovitost. Topla in s kisikom bogata zgornja plast se imenuje epilimnij. Pod njo je mezolimnij ali termoklina, plast z izrazitim padcem temperature, ki preprečuje mešanje epilimnija s hladnejšo spodnjo plastjo vode, imenovano hipolimnij. Plast epilimnija se skozi poletje debeli, dokler ne doseže največje debeline. Te plasti zaradi velike temperaturne razlike med toplo in mrzlo plastjo vode vetrovi ne morejo premešati. Poleti tako mešajo samo epilimnij, ki je edini bogat s kisikom in življenjem.

Jeseni se epilimnij ohladi in ohlajena voda potone, na njeno mesto pa prihaja voda iz globin. Pojavi se jesenska homotermija, ki je izrazitejša kot pomladna, ker se voda premešča tako zaradi vetrov kot tudi zaradi težnosti oziroma njenega tonjenja.

Pozimi nastane zimska plastovitost, saj je vrhnja plast vode s temperaturo pod 4 °C lažja od globlje, manj hladne vode. Zaradi dolge in mrzle zime je voda Velikih jezer večino hladne polovice leta nepremešana, medtem ko kratka in vroča poletja zlasti v severnejših jezerih preprečujejo dolgo poletno "mrtvilo". Povedano pomeni, da je treba ves proces letnega življenjskega cikla jezer gledati skozi prizmo bistvenih podnebnih potez.

Podnebje pojezerja ter posledično prsti in rastlinski pokrov zaradi njegove velike površine niso povsod enaki. Po Köppenu ima pojezerje v severnem delu subpolarno podnebje z vegetacijsko dobo, krajšo od štirih mesecev. Proti jugu se vegetacijska doba daljša in povprečne temperature naraščajo, vendar ima zmerno toplo podnebje samo južna obala Eriejskega jezera. Rastlinstvo je skladno s podnebnim tipom. Borealni iglasti gozd na skrajnem severu pojezerja, imenovan tudi južna tajga, proti jugu prehaja v mešani in listnati gozd.

Med vsemi gospodarskimi panogami je od podnebja najbolj odvisno kmetijstvo, ki ima na razpolago največ kmetijskih zemljišč v južnem delu pojezerja. Tu se raztezajo tako imenovani kmetijski pasovi za pšenico, oves, koruzo in mleko (wheat belt, oat belt, corn belt in dairy belt). Pri obravnavi podnebja ni mogoče spregledati prepletanja medsebojnih vplivov med jezeri in podnebnimi značilnostmi, saj jezera kot velikanski sprejemniki oziroma zadrževalniki energije blažijo temperaturne skrajnosti. Ta učinek pa zaradi reliefne odprtosti ni tako izrazit kot bi bil v primeru kotlinske lege.

Velika jezera sestavlja pet hidrografsko povezanih jezer. Največje in najvišje ležeče je Gornje jezero, ki ima povprečno vodno gladino na nadmorski višini 183 m. Njegovo ime je dobesedni prevod iz francoščine izvirajočega imena. S prostornino 12.100 km3 je takoj za Bajkalskim jezerom (23.600 km3) drugi največji svetovni sladkovodni rezervoar. Njegova prostornina je večja od skupne prostornine vseh drugih jezer, zaradi majhnega odtoka po Reki svete Marije (Saint Mary River) pa se jezerska voda izmenja šele na vsakih 200 let. To pomeni, da vsako onesnaženje jezera povzroči časovno daljše posledice. Na srečo je v zaledju jezera samo 3 % zemljišč namenjenih kmetijstvu, pritisk prebivalstva pa je minimalen, saj tam živi skupaj le 607.000 ljudi. Večino jezerskega zaledja še vedno porašča gozd (91 % površine).

Huronsko jezero je dobilo ime po indijanskem plemenu Huroni. Je drugo največje jezero po površini in tretje po prostornini vodne gmote. Jezerska voda se izmenja vsakih 22 let. Jezero se členi na glavno kotanjo in Jurijev zaliv (Georgian Bay), ki bi bil lahko glede na velikost samostojno jezero, zato se zanj pogosto uporablja vzdevek "Šesto veliko jezero". Jurijev zaliv je poln otočkov, zato je priljubljeno izletniško območje s številnimi počitniškimi hišicami.

Gladina Huronskega jezera je na isti nadmorski višini kot gladina Michiganskega jezera, na 176 m. Jezeri namreč razdvaja samo 5 km široka zemeljska ožina, imenovana Mackinacova vrata. Ker se skoznja voda pretaka, je gladina obeh jezer izenačena. Na južnem koncu Huronskega jezera se jezernica po Reki svete Klare (Saint Clair River) izliva v manjše in plitvejše Jezero svete Klare (Saint Clair Lake), nato po reki Detroit odteka v Eriejsko jezero.

Michigansko jezero je dobilo ime po izrazu michigami, ki v jeziku Indijancev Algonkin pomeni 'veliko vodno telo'. Po prostornini je drugo največje jezero in ima okoli 100 let dolgo dobo izmenjave jezerske vode. Dolg vodni zadržek je posledica zelo majhnega dotoka vode v jezero. Velika težava je, da je zaledje jezera eno najbolj urbaniziranih območij na svetu. Kljub temu ali pa prav zato je Michigansko jezero med vsemi Velikimi jezeri turistično najpomembnejše, zlasti za športni ribolov. Podobno kot v obdobju ledenih dob jezerska voda skozi umetni prekop odteka tudi proti veletoku Misisipi. Po zaslugi prekopa se je onesnaženost jezera zmanjšala, vendar se je zaradi njega tudi nezaželeno zgodil vdor in širjenje kolonij neavtohtonih zebrastih školjk v povodje Velikih jezer.

Eriejsko jezero je četrto največje po površini, a najmanjše po prostornini vodne gmote. Jezerska kotanja je plitva, saj je povprečna globina vode samo 19 m. Zahodna kotanja jezera je zelo plitva, povprečno globoka le 7,4 m; zaradi pojavljanja nenadnih visokih valov je nevarna za plovbo. Zaradi manjše prostornine se vremenski vplivi hitro odražajo na jezerski gladini, ki pozimi edina med vsemi Velikimi jezeri v celoti zamrzne.

V zaledju Eriejskega jezera je kmetijstvu namenjenih kar 67 % zemljišč, desetina pa jih je pozidana, saj tu živi skoraj 12 milijonov ljudi. Zadržek jezerske vode je zelo kratek, niti tri leta, zato se voda v jezeru hitro onesnaži, vendar se tudi razmeroma hitro očisti. Onesnaženost jezera zaradi kmetijstva in urbanizacije je bila težavna zlasti pred letom 1970. Bila je tolikšna, da se je junija 1969 vnela gladina reke Cuyahoga, pritoka takrat biološko mrtvega Eriejskega jezera. Oblasti so ukrepale in z velikimi naložbami kritično onesnaženost postopoma odpravile.

Ime Erie v indijanskem jeziku pomeni ime plemena Panter, plemena, ki je naseljevalo južno jezersko obalo. Eriejsko jezero se z nadmorske višine 173 m preliva po 55 km dolgi reki Niagara (Niagara River) v Ontarijsko jezero, ki je na samo 75 m nadmorske višine. Višinsko razliko skoraj stotih metrov reka premaga zlasti v znamenitih Niagarskih slapovih (Niagara Falls), visokih 52 m.

Zadnje jezero v verigi Velikih jezer je Ontarijsko jezero. Izraz Ontario v jeziku plemena Irokezi pomeni 'čudovito jezero'. Jezerska voda se izmenja v šestih letih. Izhod iz jezera zapira sedem zapornic, katerih gradnja leta 1959 je omogočila otvoritev vodne poti po Velikih jezerih.

Vode Velikih jezer se prek zapornic prelijejo v Reko svetega Lovrenca (Saint-Laurent/Saint Lawrence River), ki se šele po več kot 1.500 km dolgem rokavu izliva v Atlantski ocean, pri čemer premaga zelo skromno višinsko razliko. S tem se potovanje vode Velikih jezer konča, gledano z morske strani pa se v Zalivu svetega Lovrenca začenja vodna pot Velikih jezer.

Vodna pot je tako posledica kot tudi eden izmed vzrokov za nastanek enega največjih industrijskih in urbaniziranih pa tudi najbolj razvitih območij na svetu. Ugodne življenjske razmere in gospodarska rast so povzročile tudi porast antropogenih pritiskov na pojezerje. Na začetku 20. stoletja je v njem živelo deset milijonov ljudi, zdaj pa ga poseljuje več kot desetina prebivalcev Združenih držav Amerike in kar četrtina Kanadčanov, skupaj torej več kot 33 milijonov ljudi.

Povečal se je tudi kmetijski pritisk. Na območju pojezerja sta osredotočena četrtina kanadskega kmetijstva in 7 % kmetijstva ZDA. Seveda se ne sme spregledati pritisk industrije in storitvenih dejavnosti, med katerimi je prostorsko še najbolj obremenjujoč turizem. Pritisk zaledja na kakovost jezerske vode ni enakomeren. Največji je na spodnja tri jezera (Ontarijsko, Eriejsko in Michigansko jezero), precej manjši pa na Gornje in Huronsko jezero.

Pojezerje spodnjih jezer je življenjsko okolje tridesetim milijonom ljudi, zgornjih dveh pa le trem. Podobna razmerja veljajo tudi za kmetijske, industrijske, turistične in druge pritiske v pojezerju, ki so v severozahodnem delu majhni, na jugovzhodu pa izdatni.

Vodna pot Reka svetega Lovrenca–Velika jezera povezuje Atlantski ocean z mestom Duluth v ameriški zvezni državi Minnesoti. Dolga je več kot 3.500 km, kar zahteva od 8 do 9 dni neprekinjene plovbe. Odprta je bila aprila leta 1959. Njeni začetki segajo v čas francoskih kolonialistov, ko pred okoli 400 leti Jacques Cartier ni uspel prepluti brzic pri Montrealu. Francozi so namreč želeli odkriti Severozahodni prehod.

Prvi pravi poskusi ureditve poti segajo v leto 1680, ko je francoski častnik Dollier de Casson začel dela na prekopu v izogib brzicam pri Montrealu. Francozi so ga gradili vse do leta 1733, vendar del niso dokončali. Šele leta 1824 so ga po umiku Francozov dogradili Američani. Prekop je imel sedem zapornic, globino 1,5 m in dolžino nekaj kilometrov.

Na začetku 19. stoletja je bila zgrajena tudi tako imenovana Ameriška vodna pot, ki je Eriejsko jezero povezala z New Yorkom, kar je resno ogrozilo vlogo Montreala kot vodilnega pristaniškega mesta v pojezerju. To je po letu 1833 spodbudilo intenzivnejšo gradnjo prekopov na Vodni poti svetega Lovrenca (Saint Lawrence Waterway). Do sredine 19. stoletja je bila do Eriejskega jezera omogočena plovba ladjam z ugrezom do 2,4 m.

Takrat je gradnjo plovne poti močno pospešila nova konkurenca, železnica. Tako so že do leta 1904 vodno pot do Eriejskega jezera poglobili na standardnih 4,3 m. Delali so tudi na prehodu med Gornjim in Huronskim jezerom. Vse hitrejši gospodarski razvoj in pritiski so zahtevali tudi posodobitev prekopa z višinsko razliko 99,4 m med Eriejskim in Ontarijskim jezerom. 43,5 km dolg Wellandski prekop (Welland Canal) z osmimi zapornicami so poglobili na 7,5 m.

Zatem je gradnja vse do začetka petdesetih let 20. stoletja zastala, nato so Združene države Amerike in Kanada sporazumno določile standarde in začele nova dela. Minimalna širina dvonasipnega prekopa je 61 m, enobrežnega pa 91,4 m, medtem ko je minimalna globina 8,2 m. Vodno pot svetega Lovrenca je 25. aprila 1959 odprl ledolomilec D'Iberville.

Zdaj vodna pot omogoča plovbo ladjam dolžine 225,2 m, širine 23,8 m in z ugrezom do 8 m. Pot je odprta od konca marca do konca decembra, od leta 1959 pa so jo zaradi uporabe novih tehnologij, deloma pa tudi zaradi globalnega segrevanja ozračja, uspeli časovno podaljšati za 25 dni na leto.

Pojezerje Velikih jezer še vedno velja za glavno, tradicionalno industrijsko središče Severne Amerike. Kljub novim industrijskim panogam in vse večji terciarizaciji družbe ima še vedno izredno pomemben delež tudi v svetovnem merilu, čeprav ni več v odločilni meri vezano na bližnja naravna bogastva. Ohranitev njegove vloge je omogočila prav dobra prometno-komunikacijska povezava celotnega območja, med drugim tudi poceni vodni transport med pojezerjem in Atlantskim oceanom.