小川原湖は、十和田湖のように火山活動によりできた湖（カルデラ湖）とは異なり、入江の一部が海面低下と湾口の砂丘の発達により形成された海跡湖で、 広さでは我が国第１１番目（汽水湖では５番目）、平均水深約１１ｍ、最大水深２５ｍとなっています。

その成立年代等については明らかではないですが、今から３千年前頃（縄文後期）からの全世界的な気候の低温化に伴う海面低下により
すでに形成されていた内海が後退し、湾口が海岸砂丘の発達により狭められ、徐々に現在の湖の姿を形成していったものと考えられています。

湖岸線の丘のいたるところでは、気候のおだやかな内海の時代に住んでいたと考えられる縄文時代の人々の使用した土器等が数多く出土しており、
古くから小川原湖と人々の生活は深いかかわりをもっていたことがよくわかります。

小川原湖とその周辺の地形は、洪積台地及び沖積低地よりなる比較的平坦な面で形成されています。地質は、台地の洪積層は砂質土が主体で、
その上部を八甲田山の火山灰が覆っています。低地の沖積層も砂質土が主体の地区が多いが、内沼周辺及び湖奥部の姉沼、砂土路川等の地区では、
腐植土、粘性土よりなる軟弱地盤層が厚く発達しています。

小川原湖への流入河川の主なものは、高瀬川（七戸川）、砂土路川、土場川、姉沼川などで、湖の西南部ないし南部から流入しています。
流出河川は高瀬川で、湖の東北端から約７ｋｍで太平洋に注ぎます。潮汐によって、海面水位が湖水位より高くなる時期には、
海水が高瀬川を通って湖に逆流することがあり、小川原湖の水質や生物に大きな特色を与えています。