《山海经》的成书时代是个谜。最早提到《山海经》的是司马迁，其《史记·大宛列传》中说，《禹本纪》和《山海经》中的生物过于荒诞无稽，所以作史时不敢以为参考。
最早整理《山海经》的西汉刘歆，在其《上山海经表》中认为此书是三代时所作。他说：《山海经》这本书，产生于尧舜禹的时代……禹把天下划分成九州，写出了《山海经》。
其实，这种说法是靠不住的。理由是：其一，《山海经》中有很多地名是秦代才有的，如长沙与象郡。卷十八《海内经》中说：“南方苍梧之丘，苍梧之渊，其中有九疑山，舜之所葬，在长沙零陵界中。”卷十三《海内东经》：“沉水出象郡城西……郁水出象郡，而西南注南海……”长沙与象郡皆为秦始皇所设置的三十六郡之一。
其二，其中有夏启、周文王甚至春秋时代的事，如《海外西经》说夏启在大乐之野这个地方咏歌起舞。此书既为禹时所作，怎么会记叙夏启为帝王时之事？《海外南经》说周文王葬于狄山，《大荒西经》中提到西周之国，国君姓姬，是后樱的后代，这正是历史上的西周。
《大荒北经》中说：“有北齐之国，姜姓……”这正是西周建立后由姜太公担任第一任国君的齐国。所以清代学者批评说：《山海经》讲了很多商代的事，学者却以为夏禹是作者，真是荒谬。
其三，《山海经》中有很多观念是春秋战国才有的，德、义、礼、仁、信绝不是上古就有的道德观念。
山海经也反映了不少楚地的民俗、神话。比如楚辞中许多故事都和《山海经》中的神话相吻合，这在屈原天问中表现得尤为明显。另外，《山海经》也与战国时代的邹衍学派有关。按《史记·孟子荀卿列传》，邹衍之言荒诞不经，往往从眼前的小地方说起，然后推想到无限远处如海外的一些人们没有见过的东西。
例如他会先详说一些中原的名山大川、飞禽走兽、水土所产、珍稀物类，然后又说中原的九州，而中原以外还有九个中原那样大的地方，这也是个九州，外面有小海环绕，但那也仅仅是其中一州，像这样的州一共有九个，外面有大海环绕，再往外便是天地的边际。
像这般漫无边际、海阔天空的论述，往往使听者茫然，因此邹衍被称为“谈天衍”。而《山海经》所记的内容，与此颇有符合之处：如叙述各名山大川及所出产的鸟兽、植物、珍稀物类，这和邹衍学派的说法一致。
这样看来，《山海经》绝非传说中的禹、益所作，它的产生并非出自一人一时，而主要是由巴蜀、荆楚之人以及战国时代的邹衍学派等集体完成的，到西汉刘歆校书时才合在一起。