Thường thì vào mùa khô từ Tháng Mười Một đến Tháng Năm hồ khá hẹp và nông, tầm sâu chỉ khoảng 1 m với diện tích 10.000 km². Vào mùa mưa bắt đầu từ Tháng Sáu, thay vì sông Tonle Sap rút nước từ hồ ra sông Mê Kông thì sông chảy ngược dòng, tiếp nước vào hồ khiến mực nước hồ dâng cao và tăng diện tích hồ thành 16.000 km². Với lượng nước đó, hồ có thể sâu đến 9 m, làm ngập lụt đồng ruộng và cây rừng trong khu vực. Vùng ngập nước biến thành nơi sinh sản lý tưởng của nhiều loài cá nước ngọt. Đến Tháng Mười thì nước lại rút xuống theo sông Tonle Sap ra sông Mê Kông.

Vì địa thế đặc biệt với hệ thống thủy văn đổi dòng hai lần mỗi năm hồ Tonle Sap là một trong những hồ nước ngọt có hệ sinh thái đa dạng và phong phú. Phù sa cùng chất bổ từ hạ lưu bồi bổ lòng hồ nên Tonle Sap có sản lượng cá lớn đáng kể trên thế giới. Ngư nghiệp trên hồ nuôi sống 3 triệu người và cung cấp 75% sản lượng cá nước ngọt cùng 60% lượng chất đạm cho dân Campuchia.

Có nguồn cho rằng vì lượng phù sa đổ vào hồ, Tonle đang bị lấp cạn dần. Tuy nhiên các cuộc khảo cứu cho biết lòng hồ chỉ nhận khoảng 0,1-0,16 mm/năm từ hơn 5.000 năm nay nên nguy cơ hồ bị lấp cạn không đúng. Lượng phù sa không những không làm hại mà còn giúp ích giữ môi trường Tonle Sap luân chuyển.

Cũng vì hồ Tonle Sap điều tiết mà hạ lưu sông Mê Kông bớt nạn lũ lụt vào mùa mưa, và ngược lại vào mùa khô khoảng 50% lượng nước sông ở châu thổ sông Cửu Long là do hồ Tonle Sap bù vào.