Võrtsjärv on Eesti suurim sisejärv. Pindalalt on ta suurem kui teised Eesti järved kokku, arvestamata Peipsit. Järves on vähe saari, enamus neist järve lõunaosas. Tondisaar ja Pähksaar on püsivad saared, Ainsaar muutub madala veeseisu puhul poolsaareks, Heinassaar jääb kõrge veeseisu puhul vee alla. Järve kaldad on enamasti madalad – lõunaosas soised, põhjaosas liivased. Idakallas on suhteliselt kõrge. Suurele pindalale vaatamata on järv madalaveeline. Sügavaim koht, Sapi süvik paikneb Tondisaare ja idakalda vahel, Väikese Emajõe sängi pikendusel. Võrtsjärve nõgu on jääajaeelse tekkega, kuid seda on mõjutanud ka mandrijää. Idakaldal paljandub mitme kilomeetri pikkusel lõigul keskdevoni liivakivisetetest aluspõhi. See kait-sealune 3-8 meetri kõrgune nn. Tamme paljand on tuntud hästisäilinud vanimate rüükala leidude poolest. Järve lõunaosas katab põhja kuni 5,5 m paksune järvemuda, mis põhja pool läheb üle liivaseguseks järvemudaks ja see omakorda liivaks. Mudaga on kaetud umbes 2/3 põhja pindalast. Muda lasub järvelubjal. Setete kogupaksus suureneb põhjast lõunasse ja ulatub 7,6 meetrini.
Võrtsjärve suubub mitukümmend suuremat või väiksemat sissevoolu, mis koguvad oma vee järve pinda 12 korda ületavalt valgalalt Valga-, Viljandi- ja Tartumaal. Suuremateks sissevooludeks on Väike Emajõgi, Õhne, Tarvastu ja Tänassilma jõgi, väljavooluks on Suur Emajõgi. Eestis ainulaadseks nähtuseks on mõnikord kevadise suurvee ajal Suure Emajõe ülemjooksul 5 km ulatuses tekkiv veepais. Veerohke Pede jõe veest hakkab osa voolama Peipsi poole, osa vastassuunas Võrtsjärve poole tagasi. Sel ajal, keskmiselt kahe nädala jooksul aastas, võib Võrtsjärvel väljavool puududa. Takistatud väljavoolu tõttu püsib kevadine suurvesi enamasti mitmeid kuid ja ka sügisene veetõus on märgatav.
Aasta keskmine veetaseme kõikumine on 1,4 m, mis moodustab poole keskmisest sügavusest. Järve veemaht võib aga kõrge ja madala veeseisu ajal erineda ligi kolm korda. Püsivat hoovuste süsteemi järves ei ole. Järv on jääkaane all keskmiselt 135 päeva aastas, novembri lõpust aprilli lõpuni. Juulis on keskmine vee temperatuur 17-21 C. Püsivat kihistumist järves suvel ei ole.
Võrtsjärv on tugevalt eutroofne (rohketoiteline) järv. Reostavad väetisained lämmastik ja fosfor – pärinevad ümbritsevatelt põldudelt ning valgala piiresse jäävate linnade (Valga, Viljandi, Tõrva) ja väiksemate asulate reoveest. Eutrofeerumise selgeks märgiks on roostike kiire laienemine ja elustiku liigilise mitmekesisuse vähenemine viimastel aastakümnetel. Vee kõrge karbonaatide sisaldus kaitseb järve happeliste sademete kahjuliku mõju eest. Valitsevate läänetuulte tõttu on pilliroovöönd läänekalda varjus pidev ja lopsakas, lainetele rohkem avatud idakalda ääres katkendlik. Lõunaots, eriti nn. Väikejärv (alates Pähksaarest) on üleni täis vesikuppu, vesiroose, penikeeli, vesikuuske, kõõluslehte, kaislat jt. veetaimi.
Vetikate seas, mille hulk küünib suvel 30 grammini kuupmeetris, on valdavad sinivetikad. Vesi on sogane, kollakasroheline voi rohekaskollane, läbipaistvusega 1 m ringis. Sogasust suurendab ka lainetuse poolt põhjast ülestõstetud muda.
Võrtsjärve zooplanktoni loomad on valdavalt väikesemõõtmelised. Nende suvine biomass on ligikaudu 1-2 g/m3. Põhjaloomade hulk on väike ja eri aastail üsna muutlik, keskmine biomass sagedamini 5-7 g/m2 ümber. Suurema osa sellest moodustavad surusääsklaste vastsed.
Võrtsjärve kalafaunasse kuulub 35 liiki. Peamisteks töönduskaladeks on koha, angerjas, latikas ja haug. Palju on ahvenat, särge. Viie- ja kuuekümnendail aastail oli Võrtsjärvel kiisajärve kurvavõitu kuulsus, sest valdava osa kalasaagist andis väheväärtuslik prügikala. Tänu limnoloogiajaama teadurite ettepanekute (traalpüügi lõpetamine, kalakaitse tõhustarnine, angerjamaimude regulaarne sissetoomine) rakendamisele on nüüd püügis ülekaalus suured ja hinnalised kalad. Angerja üliväikest looduslikku populatsiooni Võrtsjärves on alates 1956. a. üsna pidevalt täiendatud. Tema rekordsaagid on ulatunud 100 tonnini aastas. Kogu Võrtsjärve keskmine kalasaak on üle 400 tonni aastas. Hea toidukala osakaal moodustab üldkogusest 60-70%. Kalasaagi väärtus on varasemaga võrreldes tõusnud 6-8 korda.