镜泊湖为新生代第三纪中期所形成的断陷谷地。第四纪晚期，湖盆北部发生断裂，断块陷落部分奠定了今日湖盆基础。 在现在镜泊湖电站大坝附近与沿石头甸子河断裂谷处，曾经有玄武岩溢出，与来自西北部火山群喷发物和熔岩汇集，在“吊水楼”附近形成一道玄武岩堤坝，堵塞了牡丹江及其支流，形成镜泊湖。

镜泊湖是中国最大的典型熔岩堰塞湖，是历经五次火山爆发，由熔岩溢流堰塞河流而成的高山堰塞湖。是世界上少有的高山湖泊。湖面海拔351公尺，面积95平方公里。最深可达62公尺。