Hồ được hình thành cách đây khoảng 200 triệu năm về trước do một biến động địa chất lớn, làm sụt lún các dãy núi đá vôi tạo thành, được bao bọc bởi các dãy núi đá vôi xen lẫn sa thạch cổ và các cánh rừng nguyên sinh. Địa chất và địa mạo của khu vực hồ hết sức phức tạp dẫn đến sự tạo thành các phong cảnh đẹp ngoạn mục với cấu trúc địa chất và đất đai có một không hai, điều đó kéo theo sự hình thành của nhiều hệ sinh thái khác nhau. Qua khảo sát cho thấy sự pha trộn phức tạp của các hệ sinh thái Các-xtơ điển hình và hệ sinh thái phi Các-xtơ trong sự hài hòa với các hệ sinh thái sông hồ, sự đa dạng về địa chất và sinh học như vậy khó có thể bắt gặp ở các nơi khác trên thế giới.
Hồ Ba Bể nằm ở cánh cung sông Gâm, địa hình gồ ghề và cắt xé bởi các ngọn núi cao từ 1.400m đến 1.600m và xen kẽ là các thung lũng. Hồ được nước của hai con sông chảy vào là sông Chợ Lèng và sông Nam Cường rồi chảy ra sông Năng, đổ xuống thác Đầu Đẳng. Hồ Ba Bể được hợp thành từ 3 hồ có tên là Pé Lèng, Pé Lù và Pé Lầm. Hồ có chiều dài hơn 8 km, nơi rộng nhất là 2 km, diện tích mặt nước khoảng hơn 600 ha, độ sâu trung bình 20m, có những nơi sâu đến 35m, có nhiều loài thủy vật và cá nước ngọt sinh sống, trong đó có nhiều loài đặc biệt quý hiếm được ghi vào sách đỏ Việt Nam như cá Chép Kình, cá Rầm Xanh, cá Chiên… Nước Hồ Ba Bể trong xanh, quanh năm mát mẻ, toàn cảnh hồ như một bức tranh thủy mặc. Buổi sáng, cảnh vật Ba Bể huyền ảo trong làn sương mờ bao phủ, hòa cùng tiếng chim hót, tiếng muông thú gọi bầy. Khi mặt trời ló rạng và dần lên cao, sương mù tan biến sẽ để lộ ra cảnh mặt hồ trong xanh, long lanh in đậm bóng núi với mây trời lồng lộng.