A tó a Velencei-hegység lábánál, lapos süllyedékben fekszik, területe a 160 cm-es vízállásnál (az agárdi vízmérce ,,0"=102,6 mBf pontjához mérten) 24,2 km², hossza 10,8 km, átlagos szélessége 2,3 km, átlagos mélysége 1,9 m, partvonalának hossza 28,5 km.
A tó geometriai adatait az alábbi táblázat tartalmazza (1996. évi felmérés):

 

Vízállás cm	Tóterület km2	Nyílt víz km2	Nádasok km2	Térfogat km3	Középes mélység m
140	24,03	14,01	10,02	0,040851	1,70
150	24,11	14,05	10,06	0,043398	1,80
160	24,17	14,05	10,12	0,045681	1,89
170	24,23	14,05	10,18	0,048218	1,99

A Velencei-tó vízgyűjtője:

Összetétele igen heterogén, mely megmutatkozik domborzatában, a különböző korú és felépítésű hegységi, dombsági és síksági területeiben.

A tó, korát illetően, földtörténeti szempontból fiatal képződmény. Medencéjének kialakulása - a legújabb kori geológiai és pollenanalitikai vizsgálatok szerint - mintegy 10-12 ezer évvel ezelőtt következett be, valószínű, hogy nem lehet 15 ezer évnél idősebb.
A Velencei-tó kialakulását kővetően rövidesen lefolyásos tóvá vált, vizének nagy része Dny-i irányban, a Sárvíz völgye felé talált utat.
A vizsgálatok eredményei alapján a tó feliszapolódásának éves átlaga - a mélyvízi területeken -2,3 és 3,4 mm/év, míg a tó szélén 0,7 és 1,1 mm/év nagyságrendű volt. Megállapítható, hogy az utolsó évszázadokban a mélyvízi területek feliszapolódása jóval jelentősebb volt, mint a partközeli területeké.
A Velencei-tó térsége a sokéves adatok alapján az ország napfényben gazdag tájai közé tartozik. A napfénytartam 50 éves átlagban meghaladja az évi 2000 órát. A tó vízhőmérséklete - sekély tó lévén - gyorsan követi a levegő hőmérséklet változásait. A víz középhőmérséklete a nyári hónapokban 20,5 °C.
A tó évszázados vízszintváltozására kevés írásos adat áll rendelkezésre. A kutatások azt látszanak bizonyítani, hogy a tavat keletkezése óta mindig sekély víz borította, ez azonban természetesen a mindenkori csapadék és hőmérséklet viszonyoktól függően erősen ingadozott. Nagy a valószínűsége, hogy a tómeder több alkalommal közel került a teljes kiszáradáshoz.
A meglévő levéltári adatok az 1700-as évektől a kiszáradásra igen ellentmondóak, ezért valószínű - és az újabb kutatások ezt igazolják - hogy a tó legalábbis az elmúlt két évszázadban nem száradt ki teljesen, hanem vízének nagy része elpárolgott, területe igen jelentősen lecsökkent.
Az elmúlt 65 évben három szélsőséges időszak figyelhető meg, az első 1935-ben +80 cm, a második I 948-49-ben, amikor a tó vízszintje +63 cm-re csökkent, a harmadik, pedig 1989-1993. között, amely időszak végén az agárdi vízmérce +71 cm-t mutatott.

A feltárások szerint a tónak az 1400-as évektől kezdve nyolc nagy áradása volt, az utolsó 1963-ban a hirtelen hóolvadás eredményeképp kialakult +244 cm-es vízállással.

A tó életében jelentős változást hozott az 1880-ban megkezdett múlt századi vízrendezés, mely a Nádas tavat lecsapolta, a Dinnyés-Kajtori csatornát és a dinnyési zsilipet megvalósította.

A teljes vízgyűjtő terület (beleértve a tavat is) 602,3 km² kiterjedésű, mely a Vértes hegység délkeleti lejtőjére, a Mezőföld északi részére és a Velencei-hegységre terjed ki. A Velencei-hegység nagy részét felső-karbon gránit alkotja, míg a hegység észak-északkeleti részén megjelennek a felső eocén korú andezit vulkanitok is. A vízgyűjtő É-ÉNY-i részén, a felszínen és a felszín közelében megtalálhatók a mezozoós karbonátok, míg a középső és déli részen pannon és negyedidőszaki képződmények az uralkodók.

 

A vízgyűjtő terület három fő részre tagolódik. Legnagyobb része - 383 km² - a Császár-víz vízgyűjtője, melynek felső, kb. 75 km²-nyi karsztos területe részben inaktív. A Velencei-tó második legfőbb táplálója a Vereb?Pázmándi-vízfolyás, melyhez 105 km²-nyi vízgyűjtő terület tartozik, míg a fennmaradó közvetlen vízgyűjtő terület 114,3 km² nagyságú. A tóba ömlő vízfolyások közül egyedül a Császár-víz állandó vízfolyás.