Situé à une altitude de 1 197 mètres^{notes 1}, le lac s’est formé par phréato-magmatisme, autrement dit il s'agit d'un maar. De forme presque parfaitement circulaire avec un diamètre de 700 à 800 mètres et une superficie de 44 hectares, il a une profondeur de 92 mètres, ce qui en fait le plus profond d'Auvergne (soit un volume d'environ 13 millions de m³ d'eau), visité par environ 200 000 personnes par an. La rivière Couze Pavin qui passe a 300 mètres du lac n'est que partiellement alimentée par ce dernier.

Il est d'origine très récente contrairement au massif des Monts Dore. Il semble qu'il se soit formé après la période d'activité volcanique qui a créé la chaîne des Puys, soit il y a environ 6 900 ans, ce qui en fait le plus jeune édifice volcanique de France métropolitaine. Il n'est pas lié à la chaîne des Puys. L'explosion qui l'a formé fut très violente (phréato-magmatisme) : des traces de cet événement ont été retrouvées jusque dans les sédiments du lac Léman et dans d'autres lacs suisses, et le volume de l'éruption est estimé à 75 millions de m³.

Par temps clair, le ciel bleu se reflétant dans l'eau, sa couleur est presque bleu-nuit. Par contre, par temps d’orage, ses eaux profondes apparaissent très sombres, ce qui lui a sans doute valu son nom de Pavin (du latin pavens, épouvantable).

Les eaux oxygénées du lac Pavin abritent du zooplancton et des poissons notamment l'omble chevalier évoluant en eau profonde (30 à 70 mètres). Les eaux profondes ont une densité de plus de 10 millions de bactéries par ml d’eau (densité dix fois supérieure à celle des lacs standard), notamment des archées méthanogènes (c'est-à-dire productrices de méthane), ainsi que d'autres espèces consommatrices de ce même gaz, certaines Archées parviendraient à oxyder une partie du méthane qu'elles produisent pour le consommer.

Vue sur le Sancy..

Panorama du Sancy