Το σχήμα της Λίμνης είναι οβάλ, ο βυθός της δεν ξεπερνά τα 16μέτρα και η επιφάνεια της βρίσκεται μισό μέτρο πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Τα νερά της τροφοδοτούνται τόσο από υπόγειες πηγές όσο και από την θάλασσα, με συνέπεια να είναι υφάλμυρα. Στον πυθμένα της λίμνης ανοίγεται η είσοδος ενός πολυδαίδαλου υποβρύχιου σπηλαίου που εκτείνεται σε μήκος τουλάχιστον 3.123 μέτρων στα ασβεστολιθικά πετρώματα της περιοχής. Στην περιοχή αυτή βρίσκεται και η μεγαλύτερη υπόγεια σήραγγα στον κόσμο με μήκος 800 μέτρα, πλάτος από 60 έως 150 μέτρα, ενώ το βάθος της σήραγγάς κατά μέσο όρο φτάνει τα 80 μέτρα. Το συνολικό μήκος των 14 υπόγειων σηράγγων του σπηλαίου φθάνει τα 4,3 χιλιόμετρα.

Σύμφωνα με έρευνες, το εντυπωσιακό της σχήμα προήλθε από διάφορες γεωλογικές μεταβολές που δεν μπορούν να προσδιορισθούν χρονικά. Στο σημείο που σήμερα βρίσκεται η λίμνη, υπήρχε ένα τεράστιο υπόγειο σπήλαιο στο εσωτερικό του οποίου έτρεχαν άφθονα νερά υψηλής θερμοκρασίας, τα οποία και διέβρωσαν τα τοιχώματα, με αποτέλεσμα την υποχώρηση της οροφής του σπηλαίου και την καταβύθιση του ορεινού όγκου.

Κατά την διάρκεια μιας εξερευνητικής κατάδυσης στο υποθαλάσσιο σπήλαιο της Βουλιαγμένης ανακαλύφθηκε ένας τεράστιος σταλαγμίτης. Το γεωλογικό αυτό μνημείο βρίσκεται σε βάθος 105 μέτρων, περίπου 730 μέτρα από την είσοδο του σπηλαίου. Αυτή η ανακάλυψη άλλαξε ολοκληρωτικά τη θεωρία για τον πρόσφατο σχηματισμό της Μεσογείου καθώς οι σταλακτίτες δε δημιουργούνται ποτέ κάτω από την επιφάνεια του νερού.