Jest to jezioro tektoniczne powstałe najprawdopodobniej w miocenie. Ślady dawnej linii brzegowej wskazują, że w przeszłości było większe. Jest pozostałością śródlądowego morza nazwanego Lago Ballivian, które niegdyś pokrywało całe Altiplano. Procesy geologiczne i intensywne parowanie doprowadziły do opadnięcia poziomu wód.
Do jeziora wpływa co najmniej 25 rzek (Suches, Ilave, Coata, Ramis, powierzchnia zlewiska wynosi 22 400 km²), a wypływa z niego jedna (Desaguadero, łączy ona Titicaca z bezodpływowym jeziorem Poopó). Niewielki przepływ wód w tych rzekach sprawia, iż jezioro jest w zasadzie bezodpływowe.
Na Titicaca znajduje się kilka naturalnych wysp (Amantani, Taquile, Suriqui, Wyspa Słońca (Isla del Sol) oraz ponad 40 niewielkich sztucznych wysepek pływających (zwanych Uros), z których część jest zamieszkana przez Indian Uru i chętnie odwiedzana przez turystów.