Der See füllt ein langgestrecktes, steilwandiges Becken mit einer einheitlichen Form. Die steilen Böschungen werden nur von Schuttkegeln, die der Riegenbach und der Pesentheiner Bach aufgeschüttet haben, unterbrochen. Die Tiefe des Sees nimmt von Westen mit 100 m nach Osten auf 142 m zu. Seine langgestreckte Form erreicht eine Länge von 11,5 km und eine Breite von 1,8 km. Die Seefläche beträgt 13,28 km2.

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Der Millstätter See befindet sich in einer Seehöhe von 588 m und seine Ufer haben eine Länge von 25,5 km. Aufgrund der windgeschützten Lage - es treten selten stärkere Winde auf, wenn man von kurzen Gewitterstürmen absieht - erwärmt sich der See in seiner Oberflächenschicht im Sommer (Juni/August) bis auf 26 Grad Celsius. Darunter nimmt die Temperatur rasch ab und erreicht in der Sprungschicht (8 bis 12 m Tiefe) nur mehr 6 bis 10 Grad. Unterhalb der Sprungschicht herrscht ganzjährig bis zum Seegrund eine gleichmäßige Temperatur von 4 bis 4,5 Grad vor .