牛奶海的形成與水中的生物發光現象有關。具體來說，牛奶海中的白光可能來源於水中的發光細菌，這些細菌在高密度下能夠發光。另一種解釋是，牛奶海的形成可能與纖毛蟲綱小動物的發光作用有關，這些小動物膠質無色，細如髮絲，長不足五分之一毫米，它們互相粘連在一起，有時甚至連綿好幾裏，形成了所謂的“牛奶海”。
此外，牛奶海的清澈見底、碧藍透亮的外觀特徵可能與高原湖泊中的鈣華沉積有關。這些湖泊中的水含有較高的硬度，即含有較多的鈣鎂離子，這有助於提高水體的透明度。在特定的地質條件下，如青藏高原邊緣地區，碳酸鈣碎裂裸露，並在地溫的持續加熱下分解爲氧化鈣，遇水後發生反應生成鹼性可溶離子。這些可溶鹼性硬水在流速緩慢處與空氣中的二氧化碳等酸性氣體接觸後，會形成鈣華，從而在湖畔形成一圈乳白色的環繞。