As variações do nível relativo do mar (VNRM) tiveram um papel importante na formação das planícies costeiras fluminenses durante o Holoceno, sendo responsáveis pela construção de extensas feições deposicionais costeiras na Região dos Lagos. Modelos de reconstituição paleoambiental tridimensionais de VNRM são importantes para entender a evolução sedimentar costeira em ambientes formados por cordões litorâneos, lagunas, deltas, estuários, pântanos e ilhas barreiras, que são feições geomorfológicas comuns no litoral brasileiro. Objetiva-se desenvolver um modelo tridimensional de reconstituição paleoambiental na região da planície costeira de Cabo Frio, Rio de Janeiro. Como procedimento metodológico, realizou-se levantamento faciológico e análise sedimentológica em seis locais, em conjunto com análises de sensoriamento remoto. Os ambientes de sedimentação foram interpretados através de imagens de satélite e diante da correlação encontrada entre as análises sedimentológicas e geomorfológicas, sendo descrito o processo de elevação do nível relativo do mar que afetou a região em uma reconstituição paleoambiental tridimensional. Resultados obtidos através de datações por radiocarbono, sugerem que esses cenários paleoambientais ocorreram entre 6.330 a 4.800 cal anos AP. Esse intervalo de tempo corresponde ao avanço do nível relativo marinho, entre o pico máximo holocênico e o processo inicial de descida do nível relativo do mar. O cenário apresentado pela paleoreconstituição ambiental tridimensional da VNRM, que afetou a região durante o Holoceno, ilustra como um processo de transgressão marinha evolui e afeta a porção emersa de uma bacia sedimentar costeira, deixando inúmeras evidências geomorfológicas, sedimentológicas e registros fossilíferos.