《山海經》古傳有 32 篇，含山海經圖，經西漢劉向、劉歆父子校勘定為 18 篇，是由《五藏山經》五篇、《海內經》五篇、《海外經》四篇以及《大荒經》四篇組合而成。
《山海經》全篇雖僅有三萬一千字，算不上繁重的長篇巨構，但作者及成書年代卻錯綜複雜，已演化為學術史上的個重要爭論。
歷史上，最早提到《山海經》的學者是西漢史學家司馬遷，他在《史記？大宛列傳》中稱：「至《禹本紀》《山海經》所有怪物，餘不敢言之矣。」司馬遷認為《山海經》中所記述的生物過於荒誕無稽，因此作史時不將其作為參考，因而也未提及作者及其他資訊。
△《水經注》清乾隆年間 · 天都黃氏刻本
至西漢末年劉向、劉歆校注時，首次將《山海經》的成書歸功於夏朝的大禹和伯益，並在《上山海經表》中指出：「《山海經》者，出於唐虞之際。」由於此說法出現的時間最早，流傳時間最長，被一般學者所接受。
至東漢時期，哲學家王充隨其說，在其著作《論衡》中稱：「禹主治水，亦主記異物，海外山表，無遠不至。以所聞見作《山海經》。」然而，伴隨著魏晉之後學者對《山海經》硏究的增多，這種說法遭到了否認。
北魏酈道元作《水經注》時引用《山海經》80 餘處，經他研究發現，《山海經》編書稀絕，書策落次，難以輯綴，由於流傳年代久遠，簡冊本難免出現錯簡、殘筒、漏簡等錯訛，後人又加以假合，與原意相差甚遠，懷疑此書非出於一人一時之手。
北齊顏之推《顏氏家訓》中提到《山海經》文中有長沙、零陵、桂陽等秦漢以後才出現的地名，認為絕非是禹、益所作。此後，伴隨著考古學和校勘學的發展，《山海經》的成書作者是禹、益之說日趨被否定。
△《山海經釋義》郭璞注·王崇慶釋義·明萬曆時期大業堂刻本
近代學者較一致地認為，《山海經》的原始作者並非一人，成書也並非一時，是經學者多次整理編纂而成。
據《山經》中對山川物產的相關記載，學者判斷，其記述的是四千二百年前發生在中國的一次大型地理考察，即大禹治水之後率眾臣和地理勘測人員考察山川地貌。記錄物產，繪製國土資源分佈圖，其考察內容就記錄在《山經》中，作者可能就是帝禹和伯益。
其次，《海外經》中有對夏朝第二任君主夏啟的詳細描述，提及夏啟能歌善舞，在舞蹈時「左手操翳，右手操環，佩玉璜」，並記錄了夏朝周邊的許多方國國名，但夏代之後的事情並未提及。鑑於此以及其他的一些研究，學者推定《海外經》大約成書於夏。
19 世紀末，在河南殷墟出土的久負盛名的「四方風甲骨」（北圖 12789 號），重現了殷商時期人們對掌管出入風和日月長短的四方神名以及風名的描述，同樣的內容在《山海經？大荒經》中有跡可尋，其詞彙有明顯的股商屬性：
「大荒之中，有山名日鞠陵於天、東極、離瞀，日月所出。有神名曰折丹，東方曰折，來風曰俊，處東極以出入風。」
△《增補繪像山海經廣注》十八卷·圖五卷·吳任臣注·金閶書業堂藏板·清乾隆五十一年刊本
另據《大荒東經》中對殷商國早期王子王亥的相關記載，卻未見商代之後的事情，可以推測《大荒經》的撰寫時間大約在殷商時期。
近代學者普遍接受的觀點是，《海內經》是《山海》中最後完成的部分，為春秋戰國時期的周人所作。原因是《海內經》的內容具有濃厚的追溯歷史的興趣和傾向，表現在記述了上古時代部族世系的關係和較多與其他章節重合的內容，並記載了諸多周朝始祖后稷的事蹟。
而它的作者（包括編輯及翻譯者），很有可能是王子朝、老子以及追隨王子朝奔楚的周王室圖書館的史官們。
春秋戰國時期，周王室的圖書檔案館保留著相對豐富的前朝古籍，為供職這裡的官員和學者提供了豐贍的史料，以便他們對歷代文獻進行彙編，服務於統治者。
△《山海經箋疏》十八卷·附圖贊·郝懿行箋疏·清光緒時期還讀樓刊本
《山海經》作為前朝重要的地理文獻，應當在內。其次《山海經》中常見四言韻句，是史官們書面語常用的一種句式，長期供職於周王室圖書館的「館長」老子的著作《道德經》中也經常使用。
而《海內經》文章的最後也正是《山海經》的結尾「帝乃命禹卒布土以定九州」，記載的是鯀、禹父子治理洪水，安定天下的故事，亦能從中看出編纂者的美好願景，即對大一統國家的嚮往，而這與王子朝的理想很相符。
公元前 520 年周景王去世，周王室在繼位問題上發生內亂，庶長子王子朝在奪位失敗後攜帶周室典籍投奔楚國。與此同時，周王室圖書館的史官恪守職責，跟隨王子朝同行。此事件記錄在《左傳？昭公二十六年》中：「王子朝及召氏之族、毛伯得、尹氏固、南宮囂奉周之典籍以奔楚。」
另據《呂氏春秋？先識》記述：「夏太史終古見桀迷惑，載其圖法奔商；商內史向摯見紂迷惑，載其圖法奔周；晉太史屠黍見晉公驕無德義，以其圖法歸周。」表明王子朝所攜典籍中包括商代、夏代及更早時代珍貴的文獻檔案和圖書典籍。
如果學者們的推斷是正確的，那麼鑑於《山海經》在當時是一部具有很高的政治、軍事和經濟價值的地理專著，它的抄本很可能被王子朝作為見面禮送給了楚王，並被楚國作為國家文獻檔案收藏起來；而《山海經》的原始版本或是跟隨王子朝被秘藏起來，在兩幹五百年前與周王室典籍一同神秘失蹤，已不見存世。
晉代注家郭璞在《注山海經敘》中提到「蓋此書跨世七代，歷代三千，雖暫顯於漢，而尋亦寢廢」，表明他可能意識到《山海經》的成書歷程涵括時間之久。