在漢魏六朝時，「瀚海」就有「浩瀚的大海」之意，即指今呼倫湖、貝爾湖、貝加爾湖等。《史記‧衛將軍膘騎列傳》：「（霍去病）封狼居胥山，禪于姑衍，登臨瀚海。」《漢書》中也有類似記載。唐代以前的注家，均把《史記》、《漢書》中的「瀚海」注為：一大海名。

《北史‧蠕蠕傳》中，也多次提到「 瀚海」，據學者研究，其中之一可能指的就是現今的貝加爾湖。

唐代時，「瀚海」一詞經常出現在詩文典籍中，如高適〈燕歌行〉中就有這樣的詩句：「校尉羽書飛瀚海，單于獵火照狼山。」這裡應外合的「瀚海」，指的是蒙古高原及其以西今準噶爾盆地一帶廣大地區。

西夏時，「瀚海」指的是靈州（今寧夏靈武西南）以南一帶的沼澤地（見《西夏書事》）。

元代時，「瀚海」一詞開始用來指稱「沙漠」義，如今新疆的古爾班通古特沙漠就曾被稱為「瀚海」（見耶律楚材《西遊錄》）；明代以後，「瀚海」即專指戈壁沙漠了。

由此可見，「瀚海」原本指的是「海」，即北方的大湖，後來指沼澤，北方廣大地區，戈壁沙漠。

其詞義為什麼會發生這樣的變化？也許是因為北方古代雨水豐富，湖泊遍布，後來氣候發生變化，雨水減少，北方的湖泊逐漸乾枯、消失，甚至變成一片沙漠。這導致本指北方大湖的「瀚海」一詞詞義，也隨著自然地理狀況的變化而發生了變化。

《漢語大詞典》、《辭海》也明確指出「瀚海」一詞的詞義變化：其「含義隨時代而變」。