Der Loewinson-Lessing-See liegt als Teil der Tundra etwa 900km jenseits bzw. nördlich des nördlichen Polarkreises im Mittelteil des maximal 1125m hohen Byrrangagebirges, das etwas nordnordöstlich des Sees bis 551m[1] hoch ist. Er befindet sich etwa 10km westlich vom Westteil (Ledjanaja-Bucht) des großen Taimyrsees. Durchflossen wird er von der Krasnaja, die über die Ledjanaja in den Taimyrsee und damit in die Taimyra fließt. Am Ufer liegen keine Siedlungen, aber rund 300km südsüdöstlich am Fluss Chatanga das Dorf Chatanga.
Sein Wasserspiegel liegt etwa 52m[3] (nach anderen Angaben 47[1] oder 48m)[4] hoch. Das Einzugsgebiet des Sees umfasst rund 500km².[3] Seine größte Breite von fast 3km[3] erreicht der See an einer Bucht im Südteil und seine größte Tiefe im bis knapp 2km breiten Zentralteil mit 112m[3] (nach anderen Angaben 108m). Das Seebecken, das in den Kaltzeiten von einem Gletscher erfüllt war, stellt eine Kryptodepression dar, weil sein Grund, je nachdem von welcher vorgenannter Seespiegelhöhe aus gemessen wird, etwa 60 bis 65m unter dem Meeresspiegel liegt.
Das Gebiet des Loewinson-Lessing-Sees in der nordsibirischen Tundra weist Permafrostboden auf. In der kurzen Sommerperiode mit etwa 50frostfreien Tagen erreicht die Tagestemperatur einen durchschnittlichen Wert von 6,5°C. Im Winter liegt der Tagesmittelwert bei −33,1°C.[5]
Der Hauptzufluss, die Krasnaja („Roter Fluss“), mündet in das nördliche Ende des Sees. Dieser Wasserlauf führt während der frostfreien Periode an rund 75Tagen des Kalenderjahres dem See in sehr stark schwankenden Mengen Wasser und mineralische Lockermaterialien zu. Die einfließenden Wassermengen sind niederschlagsabhängig. Im Jahr 1995 wurde am Hauptzufluss ein Schwebstoffeintrag von 10.500Tonnen gemessen.
Der Abfluss des Sees am südlichen Ende mündet nach knapp 2km in die Ledjanaja („Eisfluss“), die dem nahen Taimyrsee und damit der Taimyra in östlicher Richtung zufließt.
Der Talkessel mit dem Loewinson-Lessing-See ist aus einer tektonischen Grabenzone entstanden, die zur paläozoischen Byrranga-Faltenzone gehört. Innerhalb der geomorphographischen Gestalt der umliegenden Mittelgebirgsregion bildet der See eine Absenkung von etwa 600Metern. Die zum Ufer abfallenden Gebirgshänge am langgestreckten See sind von tiefen v-förmigen Erosionsstrukturen gekennzeichnet. Die Gesteine der seiner Umgebung sind permischen Alters und mit Dolerit-Intrusionen durchsetzt.
An den Hängen entlang des Sees befinden sich auf einer Höhe von etwa 200Metern und zwischen 250 und 300Metern marine Ablagerungen in Form von Sand und Schotterterrassen. Sie belegen ein früheres Vordringen des Meeresspiegels auf der Taimyrhalbinsel. Die ufernahen und unter seinem Wasserspiegel liegenden Sedimente haben dagegen einen limnischen Ursprung.
Das Gebiet des Loewinson-Lessing-Sees mit dem System seiner Zuflüsse einschließlich weiterer kleinerer Seen wurde zwischen 1994 und 1996 intensiv wissenschaftlich untersucht und topographisch vermessen. An den international Forschungsarbeiten war beispielsweise das Alfred-Wegener-Institut beteiligt. In diesem Zusammenhang brachte man in den Sedimentablagerungen des tektonisch entstandenen Seebeckens Erkundungsbohrungen nieder. Die aus den Bohrkernanalysen gezogenen Erkenntnisse ermöglichen durch die Einheitlichkeit der Ablagerungen zusammenhängende Aussagen zur die Paläogeographie der Region über einen Zeitraum der vergangenen 8.000Jahre. Diese Arbeiten dienen dem besseren Verständnis von Wasser- und Sedimenttransport in Flusssystemen innerhalb dieser Permafrostregion.
