进入距今900万年到150万年上新世时，盆地西部还在隆起，而中部及东部继续沉降，古湖移向盆地的东部，古气候也开始向干燥过渡，湖水矿化度开始增高。
之后，古气候日渐干燥，湖水盐度增加显著，由于盆地西北部地壳还在普遍上升，这样西部的湖水就被分割而成几个小湖，这些被分割的小湖，缺乏淡水的补给，矿化度激增，生物种群在减少，因此在盆地西部的中心地区出现了石膏、盐岩层。
上新世的晚期，盆地普遍隆起，仅中部和东部有一些相对沉降，古气候更转为干燥，此时柴达木古湖已被分割为几个湖群，由于长期处于干燥气候的影响下，湖泊已演化为盐湖。
进入更新世时(距今150万年到一万年)，其早期，整个盆地还在相对沉降，古气候由干燥转为潮湿，湖水补给量增多,此时被分割的古柴达木湖又连为一个整体，但西部水域缩小，东部水域增大水质又逐渐淡化，生物种群也随之增加。
