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Von Norden wird der See durch mehrere Zuflüsse gespeist, im Süden tritt der nach dem See benannte Tonle-Sap-Fluss aus, der bei Phnom Penh in den Mekong mündet. Jedes Jahr im Juni ist dort ein weltweit einzigartiges Naturphänomen zu beobachten. Der Mekong führt zu dieser Zeit auf Grund der Monsunregenfälle und durch das Schmelzwasser aus dem Himalaya bis zu 4 mal mehr Wasser als in den trockenen Monaten. Da Kambodscha ein großteils sehr flaches und ebenes Land ist, drängt das Wasser des Mekong in den Tonle-Sap-Fluss, und dieser wechselt die Fließrichtung. Die Wassermassen drängen zurück in das Becken des Tonle Sap und füllen den See, der während der trockenen Jahreszeit eine Oberfläche von 2.600 – 3.000 km² aufweist, bis er auf ca. 10.400 km² (inkl. umliegende Flusslandschaften: bis zu 25.000 km²) anwächst und bis zu fünf mal so tief ist (von 2–3 m auf 14 m). Der Höhepunkt der Überflutungen wird im September erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist knapp ein Drittel der landwirtschaftlichen Kulturfläche Kambodschas von Wasser bedeckt.

Erst im November, wenn der Mekong wieder weniger Wasser führt, wechselt der Fluss erneut die Richtung, und das Wasser des Sees fließt langsam ab. Dieses Ereignis ist Anlass für das sog. Wasserfest (khmer: Bon Om Touk), das auch gleichzeitig den Beginn der Fischereisaison darstellt.