น้ำในทะเลสาบสงขลาได้รับน้ำจากทิวเขาบรรทัดและทิวเขาสันกาลาคีรีจากอำเภอสะเดา ทั้งหมดไหลลงสู่ทะเลสาบสงขลา ลุ่มน้ำในแถบนี้เรียกว่า "ลุ่มน้ำทะเลสาบสงขลา"

เป็นทะเลสาบที่มีลักษณะของน้ำในทะเลสาบถึง 3 น้ำ คือ น้ำจืด, น้ำกร่อย และน้ำเค็ม มีแม่น้ำและคลองหลายสายที่ไหลเข้าสู่ทะเลสาบแห่งนี้ ทำให้น้ำมีการเปลี่ยนแปลงเสมอตามฤดูกาล โดยขึ้นอยู่กับกระแสน้ำในแม่น้ำสายต่าง ๆ ที่ไหลเข้าสู่ทะเลสาบ และกระแสน้ำทะเลหนุน จึงทำให้มีการเปลี่ยนถ่ายน้ำอยู่ตลอดเวลา

ทะเลสาบสงขลาตามลักษณะทางภูมิศาสตร์ จัดได้ว่า เป็น ลากูน (Lagoon) หรือทะเลสาบที่อยู่ติดกับทะเล (อ่าวไทย) มีปากตอนล่างเปิดเข้าสู่อ่าวไทย สามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ช่วงใหญ่ ๆ คือ

ทะเลน้อย เป็นช่วงต้นของทะเลสาบคาบเกี่ยวอยู่กับ 2 อำเภอ 2 จังหวัด อันได้แก่ อำเภอควนขนุน จังหวัดพัทลุงและ อำเภอระโนด จังหวัดสงขลา เป็นทะเลสาบน้ำจืด มีพื้นผิวน้ำราว 30 ตารางกิโลเมตร เดิมทีน้ำในทะเลสาบแห่งนี้เป็นน้ำกร่อยเพราะมีการเจือปนของน้ำที่หนุนมาจากทะเลสาบสงขลาที่อยู่ทางต้านใต้ โดยผ่านคลอง 3 สาย คือ คลองนางเรียม, คลองยวน และคลองบ้านกลาง

เป็นสถานที่ ๆ มีความหลากหลายทางชีวภาพมาก ทั้งสัตว์น้ำและนกชนิดต่าง ๆ ทั้งนกท้องถิ่นและนกอพยพ มีปลาหลายชนิดที่หายากและใกล้สูญพันธุ์ อาทิ ปลาดุกลำพัน (Clarias nieuhofii), ปลาตือ (Chitala lopis), ปลาตุ่ม (Puntioplites bulu) เป็นต้น โดยปลาชนิดที่พบมากที่สุดคือ ปลาดุก (Clarias batrachus) จนเกิดการทำเป็นปลาดุกร้าที่ไม่เหมือนกับปลาร้าของภาคอีสาน

และยังเป็นแหล่งอาศัยของโลมาอิรวดีหรือโลมาหัวบาตร (Orcaella brevirostris) ถือเป็นแหล่งน้ำจืดที่พบจำนวนโลมาอิรวดีน้อยที่สุดในโลกและเป็นแหล่งที่วิกฤตที่สุดอีกด้วย[3][4]

ทำให้เป็นแหล่งทรัพยากรธรรมชาติอันอุดม เป็นแหล่งทำการประมงและการเกษตรพื้นบ้านมาอย่างยาวนาน และบริเวณ "พรุควนขี้เสี้ยน" เป็นพื้นที่พรุในอำเภอควนขนุน ถูกประกาศให้เป็นพื้นที่ชุ่มน้ำอนุรักษ์ตามอนุสัญญาแรมซาร์ (Ramsar Convention) นับเป็นแห่งแรกของประเทศไทย เมื่อปี พ.ศ. 2541 และแห่งที่ 110 ของโลก และถูกประกาศให้เป็นเขตห้ามล่าสัตว์ป่าเป็นแห่งแรกของประเทศไทยด้วย เมื่อวันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2518

ทะเลสาบตอนบน เป็นทะเลสาบตอนที่ 2 จากทะเลน้อยจนมาถึงแหลมจองถนนและแหลมควายราบฝั่งเกาะใหญ่

ทะเลสาบตอนกลาง จากทะเลสาบตอนบนมาจนถึงปากแม่น้ำหลวงของเขตอำเภอปากพะยูน

ทะเลสาบตอนล่าง เป็นทะเลสาบที่อยู่รอบ ๆ เกาะยอ และมีปากน้ำที่ไหล่ออกสู่อ่าวไทย

โดยระบบนิเวศของทะเลสาบสงขลาแบ่งออกได้เป็น 4 ระบบ คือ

1.ระบบนิเวศป่าต้นน้ำ

2.ระบบนิเวศกลางน้ำ

3.ระบบนิเวศปลายน้ำ

4.ระบบนิเวศในน้ำ

ในปี พ.ศ. 2467 ดร.ฮิวจ์ แมคคอร์มิค สมิธ ที่ปรึกษาด้านสัตว์น้ำของกระทรวงเกษตราธิการ ได้เดินทางสู่ลุ่มน้ำทะเลสาบสงขลาเพื่อศึกษาความหลากหลายทางชีวภาพ ได้บันทึกถึงชนิดของกุ้งในทะเลสาบสงขลาไว้ว่า[5]