Ce lac glaciaire est le plus grand lac naturel du département avec un site dans une reculée caractéristique. Ses falaises calcaires de 60 à encadrent le plan d'eau rectangulaire de 232 hectares avec près de de long, plus de de large et une profondeur maximale de plus de (chiffres précis : pour la longueur, pour la largeur et pour la profondeur moyenne). La reculée est orientée est-ouest et débouche sur la combe d'Ain : le déversoir du lac constitue un bief de, le Bief de l'Œuf, qui entraîne une turbine de production d'électricité avant de rejoindre la rivière. Il est alimenté par plusieurs sources et résurgences qui parcourent souterrainement le relief karstique jurassien depuis les plateaux supérieurs et les lacs de Narlay et du Vernois. On peut découvrir le lac depuis les belvédères de Fontenu.
La présence humaine est très ancienne, comme sur le lac de Clairvaux, et notamment attestée par les fouilles menées à l'extrémité ouest du lac de Chalain en 1904, lors de l'aménagement du Bief de l'Œuf pour la production d'hydroélectricité, et reprises dans les années récentes ont mis au jour une implantation s'étendant de -4000 à -750. Les vestiges extrêmement nombreux d'une cité lacustre occupée du Néolithique jusqu'à l'âge du bronze sont regroupés au musée archéologique de Lons-le-Saunier, en particulier une pirogue de, creusée dans un tronc de chêne et parfaitement conservée dans les marnes du bord du lac qui n'avait d'ailleurs pas exactement la même configuration qu'aujourd'hui. On l'a d'abord crue néolithique, mais la dendrochronologie a montré qu'elle a été taillée aux environs de l'an 1000, (en -959 exactement), soit à l'âge du bronze final . Elle reposait d'ailleurs parmi les ruines d'un village également daté de l'âge du bronze, dont les fondations étaient constituées de poutres et de planches de sapin croisées à angle droit . De nombreuses maisons de torchis construites sur pilotis étaient construites sur les berges du lac, éventuellement dans des zones de bosquets inondés rongés par les castors (dont les traces de dents ont été conservées sur des bois immergés du lac de Clairvaux). Des bryophytes étaient mélangés à la terre des murs, pour la consolider et peut être la rendre plus isolante, dont par Neckera crispa Hedw, il y a 5000 ans sur les maisons lacustres construites sur pilotis sur les rives des lacs de Chalain et Clairvaux (Jura). Le site a été classé au titre des Monuments Historiques en 1911, mais une partie de ce patrimoine a été dégradée par des travaux récents, par l'abaissement artificiel en 1904 du niveau du lac, par des travaux de captage pour l'hydroélectricité qui ont fait baisser le niveau du lac de en quelques jours, ce qui a permis à la fois la découverte du site archéologique et détruit probablement deux tiers des couches du Néolithique et de l'âge du bronze. Le village lacustre s'est effondré à ce moment-là. En périphérie, en outre, et du drainage de la nappe phréatique. Les fouilles ont été arrêtées début octobre 2009 par manque de crédit. Au Moyen Âge, vers le, on note l'existence d'un château-relais de chasse dans le fond de la reculée, sur une légère butte. Il reste les ruines de ce bâtiment remanié au cours des siècles (principalement aux et siècles) avant d'être inoccupé et finalement incendié accidentellement en octobre 2009. Le lac et le domaine qui l'entoure sont passés par plusieurs mains avant de devenir en 1693 la propriété des Blandin de Chalain, qui furent seigneurs de Chalain et Fontenu, et dont la branche locale s'est éteinte dans les années 1960. L'ensemble a été alors acquis par le département du Jura.
Le lac contient une épaisse couche de sédiment de type craie lacustre. Dans sa partie centrale, l'extrémité occidentale du lac abrite sur la zone de craies lacustres émergées à l'étiage, un rivage de haut intérêt botanique, avec des espèces protégées et inscrites sur la liste rouge des espèces menacées, devant faire l'objet d'une protection absolue. Cette bordure du bas marais calcicole est très vulnérable au piétinement. l'accès y a donc été interdit afin de protéger ces complexes paysagers intéressants et sites archéologiques protégés au titre des monuments historiques .
Le lac de Chalain est depuis les années 1950 la propriété du département du Jura qui a aménagé à l'extrémité Est un centre touristique important avec son camping haut de gamme et sa base de loisirs, dont la gestion est assurée par la Régie départementale du Domaine de Chalain (qui gère également le camping du Domaine de Surchauffant au bord du lac de Vouglans.) . Les touristes francs-comtois mais aussi européens (néerlandais, anglais, suisses…) affluent. Le lac est ainsi un élément important du développement touristique de la région. L'accès au parking du domaine, quelle que soit la plage, est payant en juillet/août . On y pratique toutes les activités nautiques sauf la navigation à moteur, proscrite dans un but de préservation du calme et de l'environnement. La rive constitue une longue plage très fréquentée et en partie surveillée à laquelle s'ajoutent les aménagements des communes de Marigny et de Doucier à chaque coin de l'extrémité ouest. Une MFR (Maison Familiale et Rurale) est constituée d'une base nautique ainsi que de classes des et . La MFR de Chalain dispose de la grande salle omnisports de France) est également installé en bord de lac, sur la commune de Doucier. La plongée, la voile, la planche à voile et la pêche (brochet, perche, corégone) complètent les activités qui animent le plan d'eau à la belle saison. Le naturisme est officiellement autorisé sur une plage au Nord du lac, avec une pancarte en indiquant l'accès depuis le sentier. Knight corporation