Le lac reçoit de l'eau de plusieurs rivières provenant des cantons limitrophes et du département de la Haute-Savoie. Le Rhône est l'apport le plus important car il regroupe toutes les rivières et torrents des versants du canton du Valais et une partie de celles de Vaud. Les eaux du Rhône ne se mélangent pas en été avec celles du lac ; c'est le contraire en hiver(??). Il faut une douzaine d'années pour que les eaux du lac soient complètement brassées. Les eaux du Léman sont riches en substances dissoutes, notamment carbonates et sulfates de calcium et magnésium ; les matières en suspension sont décelables dans un milieu calme ; la quantité de ces matières arrivant au lac principalement par le Rhône se monte annuellement à 8 millions de tonnes.
La pollution était préoccupante dans les années 1980, mais la situation s'est stabilisée avec une diminution des algues et un meilleur apport en oxygène. Toutefois, des déchets chimiques comme les phosphates et les engrais continuent à se déverser dans le lac.
La Commission internationale pour la protection des eaux du Léman (CIPEL) est une commission transfrontalière franco-suisse qui travaille depuis 1962 à l'amélioration de la qualité des eaux du Léman. En 2001 a débuté le nouveau plan décennal avec comme objectif principal l'amélioration de l'alimentation en eau potable du bassin.
Les études en paléo-environnement, faites à partir des restes de végétaux, par la station d'hydrologie lacustre de l'Institut national de la recherche agronomique (INRA), basée à Thonon-les-Bains, avaient révélé que le bassin lémanique a connu de fortes variations climatiques et biologiques depuis un demi-siècle. De nombreuses espèces végétales ont disparu, car les concentrations excessives de phosphore, d'herbicides, de pesticides et de métaux lourds — on trouve encore, au fond des lacs alpins, les traces de la métallurgie au plomb de l'époque romaine — issues des activités urbaines et agricoles — un mètre carré de berge pollué pollue lui-même 12 m³ d'eau — ont permis à l'excès la production des algues qui ont surconsommé l'oxygène contenu dans l'eau : c'est l'eutrophisation.
Cette densification de la matière solide en suspension fragilise le phytoplancton, car il ne reçoit plus assez de lumière — la baisse de la masse de phytoplancton a entraîné, à son tour, la disparition d'espèces de poissons comme l'épinoche, disparue en 1922 mais que l'on trouvait encore en petit nombre jusque dans les années 1970, et la méduse d'eau douce Craspedacusta sowerbyi disparue en 1962, mais revue depuis. De plus, la disparition du phytoplancton fournit un terrain propice aux cyanobactéries ou micro-algues (Planktothrix rubescens), qui rendent l'eau, par création de toxines hépatiques, nocive à la consommation des poissons, et même à la baignade.
L'observation, le suivi des cycles saisonniers et annuels des écosystèmes limniques, l'étude des incidences du climat et des pollutions (herbicides, pesticides, métaux lourds), le suivi des concentrations de protozoaires ciliés, des rotifères et autres espèces zooplanctoniques herbivores qui filtrent l'eau, la connaissance des espèces nouvelles apparues, a permis au fil des années d'établir des plans de sauvegarde et de prévention, qui passent d'abord par l'amélioration de l'alimentation en eau potable du bassin et donc du lac Léman.
La raréfaction des brassages complets du lac, qui nécessitent des hivers très froids lors desquels l'eau de surface apporte son oxygène en profondeur, le réchauffement climatique, qui modifie les dates des périodes de frai des poissons, vont être à l'origine de nouvelles adaptations de l'écosystème du lac.