Der Walchensee ist einer der tiefsten (maximale Tiefe: 192,3 m) und zugleich mit 16,40 km² auch einer der größten Alpenseen Deutschlands. Seine Fläche hat die Form eines nach Norden gerichteten Dreiecks mit der Basis am Südufer von Einsiedl bis Niedernach mit 6,9 km und einer Höhe von Breitort bis Urfeld mit 5 km. Der See liegt 75 km südlich von München inmitten der Bayerischen Alpen. Er gehört mit seiner gesamten Fläche einschließlich der Insel Sassau zur Gemeinde Kochel am See. Im Osten und Süden grenzt er mit seinem Ufer an die Gemeinde Jachenau. 

Die Bezeichnung Walchen kommt aus dem mittelhochdeutschen und bedeutet ursprünglich Fremde. So waren alle romanischen Völker (auch die z.T. romanisierte Bevölkerung der Alpen) südlich von Bayern für die Einheimischen Welsche oder eben Walche. Die gleiche Etymologie trifft auch auf den Schweizer Walensee und den Salzburger Wallersee zu.

Eine andere Interpretation geht vom lateinischen Lacus vallensis aus, was soviel heißt wie ein im Tal gelegener See. Auf Landkarten des 16. Jahrhunderts wurde der See auch als Italico dicto (nach Italien führend) bezeichnet, was seinen Ursprung vermutlich daher hat, dass durch das Walchenseetal ein Reiseweg über Mittenwald und Innsbruck nach Italien führte.

Der Walchensee füllt eine tektonisch bedingte Senke, die aus den Gesteinen der oberen, alpinen Trias besteht (Hauptdolomit, Plattenkalke, Kössener Schichten). Dieser tektonischen Entstehung verdankt der See seine extreme Tiefe von ca. 190 m. Das Felsenufer des Nordwestufers zeigt deutlich die sehr steile Lagerung der Gesteinsschichten hin zum See. Die Entstehung durch gebirgsbildende Kräfte lässt den Schluss zu, dass der Walchensee zu den ältesten Seen Deutschlands zählt. Während der Eiszeiten wurde die Morphologie des Gebiets und damit auch der Walchensee mehrfach von Gletschern des Isar-Loisach-Gletschers geprägt.

Rund 27 km Ufer umranden den Gebirgssee, der ein durchschnittliches Wasservolumen von 1,3 km³ hat. Die Jachen entwässert, als natürlicher Abfluss des Sees, nach Osten durch das Tal der Jachenau zur Isar hin. Den größten natürlichen Zufluss bildet die Obernach, welche im Südwesten in den See mündet. Zusammen mit dem künstlichen Zufluss (siehe Kapitel Besonderheiten) erschließt sich auf diese Weise ein Einzugsgebiet von rund 780 km².

Der Walchensee liegt auf einer Höhe von 802 m ü. NN und wird von bewaldeten Bergen umrahmt. So im Nordwesten von der Herzogstand-Heimgartengruppe (1.731 m und 1.790 m), daran anschließend westlich vom See das Tal der Eschenlaine, auf deren Südseite der Simetsberg (1.836 m) als erster Ausläufer des Estergebirges anschließt. Im Süden des Sees trennt der Altlacher Hochkopf den Walchensee vom Tal der Isar. Am östlichen Ufer beginnt die Jachenau, ein lang gezogenes Hochtal, das Richtung Lenggries führt. Der Nordosten wird von der Benediktenwand dominiert, und, ein wenig weiter westlich, schließt der Jochberg (1.565 m) den Talkessel. Zwischen dem Herzogstand und dem Jochberg ist noch der kleine Kesselberg, welcher aufgrund seiner relativ niedrigen Höhe aber als Senke zwischen den Bergen ins Auge fällt und letztlich den Walchensee vom 200 m tiefer gelegenen Kochelsee trennt.

Direkt am Westufer liegt der kleine Luftkurort Walchensee mit nur ca. 600 Einwohnern. Ebenso wie die anderen noch kleineren Ortschaften Urfeld (an der Nordspitze), Zwergern (Westufer) und die am orographisch linken Ufer der Obernach gelegenen Häuser von Einsiedl (im äußersten Südwesten) gehört Walchensee zur Gemeinde Kochel am See. Die auf dem rechten Ufer der Obernach gelegenen Häuser in Einsiedl sowie Altlach am Südufer, Sachenbach am Ostufer und Niedernach im äußersten Südosten dagegen gehören zur Gemeinde Jachenau. Zwischen den Orten Walchensee und Einsiedl ragt die 1,4 km² große Halbinsel Katzenkopf mit dem Ort Zwergern zwei Kilometer in den See.

Aufgrund seiner Lage inmitten eines Talkessels ist der See größtenteils vor nördlichen und östlichen Windströmungen geschützt. Die relativ niedrige Bergkette, die unmittelbar am Südufer beginnt, lässt eine optimale Sonneneinstrahlung zu, so dass das Klima insgesamt milder ist, als im Gebirge zu erwarten wäre. Während der Sommermonate entsteht bei sonnigem Wetter über den aufgeheizten Südhängen des Herzogstands und des Jochbergs eine ausgeprägte Thermik. Die stabilen Thermikwinde wehen in der Regel in Richtung Südwest. Vereinigen sich die so in die Höhe transportierten feuchten Luftmassen des Walchensees mit denen des nördlich gelegenen Kochelsees durch einen leichten, vorherrschenden Hauptwind aus Nordost, können besonders heftige Gewitter entstehen. Bei Föhn weht dagegen ein warmer Fallwind aus Süd in Richtung Nord; durch die damit einhergehende trockene Luft kommt es zu einer sehr guten Fernsicht.

Schon seit vorhistorischer Zeit fühlte sich die einheimische Bevölkerung vermutlich eng mit dem See verbunden, so war es zum Beispiel bis in das 18. Jahrhundert üblich, geweihte Goldmünzen an der tiefsten Stelle des Sees zu versenken. 

Der Fischreichtum des Sees führte dazu, dass die Klöster Benediktbeuern und Schlehdorf schon 740 n. Chr. erste Besitzansprüche stellten. Bis zur Säkularisation 1803 war dieser im Besitz der beiden Klöster, wobei das Kloster Benediktbeuern über die größeren Rechte verfügte. Heute ist der Freistaat Bayern Eigentümer des Walchensees .

Um 1900 wurde in München die Idee geboren, das Gefälle zwischen dem Walchensee und dem fast 200 m tiefer gelegenen Kochelsee zur Stromerzeugung im Kraftwerk Walchensee zu nutzen. Dazu wurden bereits 1903 Tauchversuche zur Erkundung des Seeuntergrundes durchgeführt. Treibende Kraft und Persönlichkeit war Oskar von Miller, der auch 1903 das Deutsche Museum gegründet hat. Das wasserpolizeiliche Genehmigungsverfahren zog sich bis 1918 hin. Unmittelbar nach dem Ersten Weltkrieg wurden die Bauarbeiten begonnen. Am 24. Januar 1924 trieb zum ersten Mal Walchenseewasser eine Turbine am Ufer des Kochelsees an.

Im ehem. Forsthaus Einsiedl wurden die letzten Reserven der Deutschen Reichsbank zwischengelagertIm Lauf des Zweiten Weltkriegs versuchten mindestens zwei Flugzeuge auf dem See eine Notlandung durchzuführen und versanken anschließend. Am 24. April 1945 wurde von der Wehrmacht und Beamten der Reichsbank zumindest ein Teil der letzten Reserven der Deutschen Reichsbank nach Einsiedl, einer kleinen Siedlung am Südwestufer, gebracht. Anschließend wurde das Vermögen an einem unbekannten Ort auf dem Steinriegel (oberhalb des heutigen Obernachkraftwerkes) vergraben. Es handelte sich dabei um 365 Säcke mit je zwei Goldbarren, 9 Briefumschläge mit den Dokumenten zum Gold, 4 Kisten mit Gold, 2 Säcke mit Goldmünzen, 6 Kisten mit dänischen Münzen, sowie 94 Säcke mit anderen Fremdwährungen. Bei der ausländischen Währung handelt es sich vor allem um US-Dollars und Schweizer Franken. Am 6. Juni 1945 wurde das Vermögen an die Alliierten übergeben. Es fehlten jedoch 100 Goldbarren sowie alle Dollarnoten und die Schweizer Franken. Möglicherweise gab es noch mehr Depots, an denen Wertgegenstände, wie zum Beispiel weitere Devisen und/oder Juwelen, versteckt wurden. Bis heute wird über deren Existenz und genaue Lage spekuliert.

Der Walchensee wurde spätestens ab den 50er-Jahren des 20. Jahrhunderts zu einem beliebten Ziel für Ausflügler aus München und anderen oberbayerischen Städten sowie Touristen. Die einheimische Bevölkerung lebt heute in erster Linie vom Fremdenverkehr.

Das klare Gewässer mit einer durchschnittlichen Sichttiefe von 8 bis 10 m verdankt seine türkis-grüne Färbung dem relativ hohen Anteil an Kalziumkarbonat. Wohl auch aufgrund des Motorbootverbots entspricht das Wasser des Walchensees der Gewässergüteklasse I (=unbelastet). Die Wassertemperaturen sind, wie für einen Bergsee typisch, relativ niedrig. Sie bewegen sich im Sommer zwischen 17 und 20 °C und im Frühling/Herbst um die 10 bis 16 °C. Die Nährstoffbelastung des ursprünglich oligotrophen (nährstoffarmen) Walchensees ist seit Mitte der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts durch die Verbesserung der Abwasserreinigung in Mittenwald stark zurückgegangen.

Der Walchensee, einschließlich der Uferstreifen, ist Landschaftsschutzgebiet. Von der Gesamtlänge des Südufers von 7 km sind ca. 2,5 km für Erholungszwecke, z. B. als Badestrand, nutzbar. Das übrige Ufer besteht zum großen Teil aus Steilufer. Das Seeufer selbst ist bis auf wenige Ausnahmen im Westen nicht bebaut.

Die Insel Sassau (2,9 ha) steht unter Naturschutz, das Betreten der Insel ist ganzjährig verboten. Die Insel ist 367 m lang und im Westen bis 93 m breit (im Osten nur halb so breit). Sie erhebt sich bis zu 12 Meter über den Wasserspiegel.

Bereits vor über 500 Jahren wurden neue Fischarten im Walchensee eingebürgert. 1480 wurden Renken aus dem nahe gelegenen Kochelsee eingesetzt und etwas später zusätzlich auch Saiblinge aus dem Tegernsee. Der See lässt sich in eine Uferzone sowie in eine Boden- und Freiwasserzone einteilen. In der nebenstehenden Tabelle sind alle Fischarten nach diesen Lebensräumen aufgelistet.

Über 50 % der dort lebenden Fische sind in Bayern in ihrem Bestand bedroht oder zumindest gefährdet, wie z. B. der Wels oder der Perlfisch. Die Große Teichmuschel steht ebenfalls auf der Roten Liste der gefährdeten Pflanzen und Tiere.

2003 wurde vom Bezirk Oberbayern ein Projekt gestartet, um den Edelkrebs im Walchensee wieder anzusiedeln. 1.900 Krebse wurde zu diesem Zweck im Eibsee westlich von Garmisch-Partenkirchen eingefangen. Der Erfolg dieser Wiederansiedlungsaktion wird in den kommenden Jahren überprüfbar sein.

Für viele Vogelarten bieten das Seeufer und die Insel Sassau hervorragende Brutmöglichkeiten sowie für Zugvögel ein sicheres Winter- oder Durchzugsquartier. Neben Rothals- und Schwarzhalstaucher sowie Stockenten und Blesshühner kommen hier auch Gänsesäger und Eistaucher vor.

Nahe der Uferzonen wachsen in einigen Buchten der Flutende Wasserhahnenfuß und das Ährige Tausendblatt. Die Kiesel- und Grünalgen kommen dagegen als pflanzliches Plankton zusammen mit dem tierischen Plankton (Wasserflöhe, Hüpferling) in praktisch allen Bereichen des Sees vor. Ebenfalls in der Uferzone wachsen das heimische Schilfrohr und die Teichbinsen. Die Seerose und die Teichrose bieten nicht nur Ringelnattern einen zuverlässigen Schutz.