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Der See liegt im westlichen Teil des Ostafrikanischen Grabens (Great Rift Valley) und wird von dessen Wänden begrenzt; dazu gehört die Zentralafrikanische Schwelle, die an seiner Westseite angrenzt. Er ist der größte Grabenbruch-See Afrikas und zugleich der tiefste und der zweitgrößte des ganzen Kontinents. Er besitzt mit 18.880 km³ Volumen das größte Süßwasservorkommen Afrikas und das zweitgrößte weltweit nach dem Baikalsee.
Der Tanganjikasee erstreckt sich 673 km in nord-südlicher Richtung mit der durchschnittlichen Breite von 50 km und hat eine Fläche von 32.893 km².
Der See, dessen Wasseroberfläche 782m ü. NN liegt, ist im Mittel 570 m tief, die maximale Tiefe beträgt 1.470 m (im nördlichen Teil). Damit befindet sich der Grund des zweittiefsten Sees der Erde 688 m unter dem Meeresspiegel, was die vierttiefste Kryptodepression der Erde ergibt. Seine enorme Tiefe bedeutet auch, dass es sich in den tieferen Schichten des Sees um fossiles Wasser handelt.
Das Einzugsgebiet des Tanganjikasees beträgt 231.000 km². Der Ruzizi, der dem See aus Richtung Norden zufließt, ist sein Hauptzufluss; weitere Zuflüsse sind: Kalambo und Malagarasi. Über seinen Abfluss, den Lukuga, entwässert er in den Kongo, zu dessen Flusssystem er gehört. Am Tanganjikasee haben die 4 Staaten Demokratische Republik Kongo (vormals Zaire), Tansania, Sambia und Burundi Anteil. Die Demokratische Republik Kongo sowie Tansania besitzen dabei den Hauptanteil des Sees