A baía de Sepetiba, localizada na costa oeste fluminense, consiste de um embaiamento onde predominam condições estuarinas com contato limitado ao oceano aberto, devido à presença da restinga da Marambaia - uma ilha-barreira de ~40 km de comprimento. O presente estudo visa o detalhamento da evolução estratigráfica do preenchimento sedimentar da baía, baseado na análise de ~ 800 km de linhas sísmicas de alta resolução, correlacionada a dados de datação de horizonte sísmico na plataforma continental (14C AMS) e de estágios de evolução da restinga da Marambaia (14C AMS/LOE). A integração dos resultados revelou a existência das unidades U2-U5 - uma sucessão sedimentar transgressiva e de mar alto de até ~30 m de espessura, que testemunha a implantação de um sistema estuarino aberto na região em direta conexão com o mar (deposição de U2), que evoluiu para condições estuarinas progressivamente mais isoladas (deposição das unidades U3 e U4) até atingir uma configuração de ambiente estuarino de baixa energia sem conexão direta com o mar (deposição da unidade U5), similar às condições do sistema deposicional atual. Os diferentes ambientes estuarinos, revelados pela fácies sísmicas das unidades U2-U5, estão diretamente correlacionados às diferentes fases de construção e/ou fechamento da restinga da Marambaia. Palavras-chave: Deposição transgressiva; Paleosistema estuarino; Transgressão Pleistoceno Tardio-Holoceno.