Hồ có diện tích mặt nước là hơn 650 ha, chiều dài gần 8 km, có thắt nút ở giữa. Hồ được bao bọc bởi những dãy núi đá vôi có nhiều hang động và những suối ngầm.
Độ sâu trung bình 20-25 m,lúc cạn nhất còn 5–10 m.
Nguồn nước chính được cung cấp từ ba con sông chảy vào hồ.
Nước trong hồ di chuyển với vận tốc khoảng 0,5 m/s. Vào mùa lũ, vận tốc tăng lên đến 2,5-3 m/s.
Đây là một hồ kiến tạo lớn nhất miền Bắc Việt Nam giữa vùng đá phiến và đá vôi.
Có hai đảo nhỏ nổi lên giữa hồ là đảo An Mã (đảo giống như con ngựa đóng cương đang lội nước) và đảo Bà Góa. Từ ngày mồng 9 đến 11 tháng Giêng hàng năm, bên bờ hồ Ba Bể có hội "Lồng tồng" (lễ xuống đồng) của người dân tộc sống trong vùng.
