Situé à une altitude de 1 197 mètres, il s’est formé dans le cratère d’un ancien volcan, c’est ce que l’on appelle un maar provenant indirectement de l'éruption phréato-magmatique ou limnique du Puy Montchal. De forme presque parfaitement circulaire avec un diamètre de 700 à 800 mètres, il a une profondeur de 92 mètres, ce qui en fait le plus profond d'Auvergne visité par environ 200 000 personnes par an.
Il est d'origine très récente contrairement au massif des Monts Dore. Il semble qu'il se soit formé à la fin de la période d'activité volcanique qui a créé la chaîne des Puys, soit il y a environ 7 000 ans, ce qui en fait le plus jeune édifice volcanique de France métropolitaine. L'explosion qui l'a formé fut très violente : des traces de cet événement ont été retrouvées jusque dans les sédiments du lac Léman, alors que son volume est estimé à 75 millions de m.
Par temps clair, le ciel bleu se reflétant dans l'eau, il est presque bleu-nuit. Par contre, par temps d’orage, ses eaux profondes apparaissent très sombres, ce qui lui a sans doute valu son nom de Pavin (du latin pavens, épouvantable).