Маркакольская котловина окаймлена горными хребтами Курчумским и Азутау. На северо-востоке она сочленяется с Бобровской впадиной, а на юго-западе по реке Кальджир имеет выход в Зайсанскую долину. Озеро (1447 м над ур. м) имеет овально-вытянутую форму и простирается с северо-востока на юго-запад. Длина озера − 38 км, ширина − 19 км, площадь — 455 км², длина береговой линии — 106 км, глубина в среднем − 14,3 м, максимальные глубины − 24-27 м. В озёрной чаше содержится 6,5 км³ воды. Площадь водосбора составляет 1180 км². Всего в озеро впадает 95 водотоков, основными являются Тополевка, Тихушка, Еловка, Карабулак, Жиренька. Из озера вытекает единственная река Кальджир.

Цветовая гамма озера Маркаколь разнообразна: от синего или голубого в ясную погоду, до серо-чёрного, серебристого при перемене погоды. Состояние водного зеркала в течение суток меняется множество раз. Вода в озере ультрапресная, очень мягкая, слабо-кислая, относящаяся к гидрокарбонатному классу, кальциевой группе. Озеро на зиму замерзает. Начало ледостава отмечается со второй декады октября, средняя дата — 20 ноября. На зиму остаётся незамёрзшим исток реки Кальджир, а в тёплые зимы и русла некоторых горных рек, впадающих в озеро Маркаколь. Толщина льда достигает 60-120 см.

Происхождение озера Маркаколь связывается с одной из ледниковых фаз четвертичного периода альпийского тектонического цикла. Район сложен метаморфизированными породами, прорванными мощными жильными телами основных базальтоидных пород и небольшими массивами щелочных гранитов. Ближе к горам на их склонах растут высокоствольные лиственницы.

Озеро бо­гато рыбой: ускуч (ленок), хариус, вьюн. Немало здесь и птиц. В прибрежных лу­гах гнездятся гагары, поганки, утки, чайки и кулики. В лесах вокруг озера встре­чаются рябчики, тетерева, глухари и куропатки.

Климат в этой части страны типично-континентальный. Зима суровая, многоснежная, температура достигает до −55 градусов по Цельсию. Среднегодовая температура −4.1 градуса по Цельсию (самая низкая на Южном Алтае). Летом температура воздуха поднимается до 29 градусов по Цельсию. Средняя суточная температура выше 0 градусов длится 162 дня, ниже 0 градусов — 203 дня.