Le lac est alimenté en eau par deux canaux : un principal, le canal d'amenée Marne, long de 11,8 km et par un canal secondaire, celui de la Blaise. Cette eau est ensuite rendue aux rivières par des canaux de restitution, celui de la Marne mesurant 3,5 km.
En hiver et au printemps, pour assurer sa mission de régulation des deux rivières, l'eau est prélevée pour l'étiage alors qu'elle est au plus haut, dans le but de prévenir les crues. Si une crue importante se prépare, un niveau supplémentaire d'eau est puisé dans les deux cours d'eau. Le lac se remplit ainsi peu à peu entre le 1er novembre et le 30 juin. Il est ensuite vidangé entre le 1er juillet et le 31 août : une partie des eaux du lac est restituée à la Marne et à la Blaise pour venir en aide aux rivières qui sont alors à leur niveau d'étiage. Cette action s'appelle le « soutien d'étiage ». Le 1er novembre, le lac est presque vide, il n'y reste que la « tranche morte », volume indispensable à la survie des poissons, et une tranche de réserve pour prolonger la vidange en cas d'étiage important. La partie du lac alors immergée se transforme en d'immenses vasières attirant de nombreux oiseaux, tels les limicoles. Le niveau de l'eau du lac du Der varie donc en fonction des besoins de la Marne et de la Blaise.
Le lac du Der est classé zone spéciale de conservation par le réseau Natura 2000 depuis septembre 1986 sur une superficie de 6 536 ha, notamment pour son importance ornithologique majeure, puisqu'il est un lieu de reproduction, d'hivernage ou une étape dans la migration de nombreux oiseaux. On y dénombre plus de 200 espèces, dont certaines sont protégées.
Il est surtout connu pour les nombreuses grues cendrées (jusqu'à 70 000 ou 80 000) qui y font escale, chaque année, au cours du mois de novembre. Près de la moitié des 230 000 grues qui traversent la France feraient étape sur le lac. De plus, 45 espèces de libellules, 40 mammifères et 20 amphibiens vivent aux abords du lac. On y trouve également plus de 200 espèces de végétaux. Le Conservatoire botanique national du bassin parisien a introduit à titre expérimentale sur les rives du lac en février 2010 une population de Sisymbre couché (Sisymbrium supinum).
Le grèbe huppé (Podiceps cristatus), le héron cendré (Ardea cinerea), le faucon crécerelle (Falco tinnunculus), la sterne pierregarin (Sterna hirundo), l'oie cendrée (Anser anser), le pygargue à queue blanche (Haliaeetus albicilla), la grande aigrette (Ardea alba) et la grue cendrée (Grus grus) sont les principaux oiseaux qui peuplent le lac. On y trouve également plusieurs espèces d'aigrettes, de bécasseaux, canards, chevaliers, cigognes, courlis, cygnes, faucons, foulque, fuligules, goélands, grèbes, hérons, mouettes, oies, plongeons, etc. Des observatoires ont été construits sur les sites de Chantecoq et Champaubert, ainsi qu'aux abords des étangs voisins, pour faciliter l'observation de cette riche avifaune.
De nombreux poissons vivent dans les eaux du Der. On y recense quinze espèces de poissons blancs, parmi lesquelles le gardon et la tanche, et neuf de poissons carnassiers, tels le brochet, le sandre ou encore la perche. C'est la pêche à la carpe, qu'elle soit miroir, commune ou bien cuir, qui donne au lac une renommée européenne. Le lac accueille également d'autres espèces animales tels le castor d'Europe (Castor fiber) ou le cuivré des marais (Lycaena dispar).