สภาพทางกายภาพและธรรมชาติที่แตกต่างกันในแต่ละส่วนของทะเลสาบ แบ่งทะเลสาบออกเป็น 4 ตอนใหญ่ๆ คือ

1. ทะเลน้อย

ทะเลน้อยเป็นส่วนที่อยู่ทางตอนเหนือสุดของทะเลสาบ มีพื้นที่ประมาณ 28 ตร.กม. และมีความลึกเฉลี่ยประมาณ 1.5 เมตร เป็นทะเลสาบน้ำจืด ที่แยกส่วนค่อนข้างชัดเจนกับทะเลสาบส่วนอื่น โดยมี คลองนางเรียม คลองบ้านกลาง และ คลองยวน เชื่อมต่อระหว่างทะเลน้อย กับทะเลสาบตอนบน (ทะเลหลวง) ปัจจุบัน ทะเลน้อย ถือเป็นพื้นที่ชุ่มน้ำ (Wetland) ส่วนหนึ่งของทะเลน้อยด้านทิศเหนือ ชื่อพรุควนขี้เสียน จัดเป็นพื้นที่อนุรักษ์ตาม อนุสัญญาแรมซาร์ (Ramsar convention) [เมือง Ramsar อยู่ในประเทศ อิหร่าน และเป็นที่ที่มีการร่วมลงนามสนอนุสัญญาครั้งนั้น] นับเป็นพื้นที่ชุ่มน้ำนานาชาติที่สำคัญควรแก่การอนุรักษ์ไว้อย่างยั่งยืน ทะเลน้อยเป็นบึงน้ำจืด มีป่าพรุน้ำจืด มีน้ำท่วมขังตลอดทั้งปี มีความหลากหลายของพืชพรรณไม้เด่น คือ ป่าเสม็ดหรือเสม็ดขาว รองลงมามี ดำตะโก จิกน้ำ หว้าน้ำ ไม้พุ่มก็มีหนาแน่น เช่น เตยน้ำ พืชล้มลุกก็มีมาก ได้แก่ กกสามเหลี่ยม กระจูดหนู บัวหลวง บัวสาย กง เป็นต้น นอกจากนี้ ยังมีความหลากหลายของสัตว์นานาชนิด เช่น มีนกกว่า 220 ชนิด เป็นนกอพยพตามฤดูกาลกว่า 10 ชนิด เช่น นกกระยางไฟหัวเทา เหยี่ยวดำ นกซ่อมทะเลอกแดง เป็นต้น ชนิดที่ใกล้สูญพันธุ์ ได้แก่ นกตะกรุม นกกระทุง เหยี่ยวปลาใหญ่หัวเทา นกกระสาน้อย นกกระสาแดง นกกาบบัว นกช้อนหอยขาว นกหัวโตมลายู เป็นต้น และเป็นแหล่งนกน้ำนานาพันธุ์ ทั้งที่ประจำถิ่นหรือมาจากที่อื่นตามฤดูกาล มีปลากว่า 30 ชนิด สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำกว่า 10 ชนิด สัตว์เลื้อยคลานกว่า 30 ชนิด และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอีกเกือบ 10 ชนิด

2. ทะเลสาบตอนบน

ทะเลสาบตอนบนมีชื่อเรียกต่างๆ กัน เช่น ทะเลหลวง บ้าง ทะเลลำปำ บ้าง ทะเลพัทลุง บ้าง ทะเลสาบตอนบน อยู่ถัดจากทะเลน้อยลงมาทางใต้ลงมาจนถึงบริเวณตำบลเกาะใหญ่ อำเภอกระแสสินธุ์ จังหวัดสงขลา และบ้านแหลมจองถนน อำเภอเขาชัยสน จังหวัดพัทลุง เป็นห้วงน้ำที่กว้างใหญ่ที่สุดเมื่อเปรียบกับส่วนอื่นๆ ของทะเลสาบ มีพื้นที่ประมาณ 460 ตร.กม. มีความลึกเฉลี่ยประมาณ 2 ม. น้ำในบริเวณนี้ปกติเป็นน้ำจืด แต่บางปีก็มีการรุกของน้ำเค็มค่อนข้างสูงในหน้าแล้ง ทำให้ระดับความเค็มของน้ำสูงขึ้นได้ ปัจจุบันเชื่อว่าเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของ โลมาอิรวดี

3. ทะเลสาบตอนกลาง

ทะเลสาบตอนกลาง อยู่ถัดลงมาจากทะเลสาบตอนบน คือ ตั้งแต่บริเวณแนวเกาะใหญ่ อำเภอกระแสสินธุ์ จังหวัดสงขลา และแหลมจองถนน อำเภอเขาชัยสน จังหวัดพัทลุง ลงมาถึงบริเวณปากรอ อำเภอสิงหนคร จังหวัดสงขลา ทะเลสาบตอนกลางมีพื้นที่ประมาณ 380 ตร.กม. ความลึกเฉลี่ยประมาณ 2 ม. เป็นส่วนของทะเลสาบที่มีเกาะอยู่มากมายหลายเกาะ เช่น เกาะสี่-เกาะห้า ซึ่งเป็นเกาะที่มีรังนกนางแอ่นที่มีคุณภาพดีที่สุดแห่งหนึ่งของโลก นอกจากนี้ก็มีเกาะหมาก เกาะเสือ เกาโคบ เกาะนางคำ เกาะยวน เกาะแกง พื้นที่ทะเลสาบส่วนนี้เป็นการผสมผสานของน้ำเค็มและน้ำจืด จึงมีระบบนิเวศทั้งน้ำจืด และน้ำกร่อย

4. ทะเลสาบตอนล่าง

ทะเลสาบตอนล่างเป็นส่วนของทะเลสาบล่างสุดที่เชื่อมต่อกับอ่าวไทย คือ ตั้งแต่บ้านปากรอ ตำบลปากรอ อำเภอสิงหนคร จังหวัดสงขลา ไปถึงจุดที่เชื่อมกับอ่าวไทย ที่แหลมสนอ่อน อำเภอเมืองสงขลา ทะเลสาบตอนล่างมีพื้นที่ประมาณ 180 ตร.กม. ความลึกเฉลี่ยประมาณ 1.5 ม. ยกเว้นบริเวณช่องแคบที่เชื่อมต่อกับทะเลอ่าวไทยที่มีความลึกประมาณ 12 - 14 ม. ทะเลสาบส่วนนี้เป็นบริเวณที่มีน้ำเค็ม แต่บางส่วนในช่วงฤดูฝนจะเป็นน้ำกร่อยและได้รับอิทธิพลจากน้ำขึ้นน้ำลงอย่างมาก บริเวณทางตอนใต้มีพื้นที่ป่าชายเลนและป่าชุ่มน้ำปกคลุมโดยทั่วไป แต่ปัจจุบันถูกเปลี่ยนไปเป็น พื้นที่อยู่อาศัย และ พื้นที่เพาะเลี้ยงกุ้ง ซึ่งทำให้เกิดมีการระบายน้ำเสียจากชุมชนเมือง โรงงานอุตสาหกรรม และนากุ้ง ทำลายระบบนิเวศและสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง และมีการวางเครื่องมือประมงประเภทโพงพางและไซนั่งเกือบทั่วทั้งทะเลสาบตอนล่างนี้

สถานภาพความหลากหลายทางชีวภาพ

พืชและสัตว์ที่พบในทะเลสาบสงขลามีทั้งกลุ่มที่อาศัยอยู่ในน้ำเค็มใกล้เคียงกับน้ำทะเล กลุ่มน้ำกร่อยซึ่งสามารถทนความเค็มในช่วงกว้างและกลุ่มน้ำจืด ความหลากหลายทางชีวภาพโดยรวมจึงมีมาก แม้ว่าบางชนิดอาจมีจำนวนน้อย มีทั้งแบบอาศัยอยู่ประจำและแบบอพยพมาจากทะเลเพื่อหาอาหารเป็นครั้งคราว ตามกระแสน้ำขึ้นน้ำลงพัดพาไป เช่น แพลงก์ตอนบางชนิด หรือเข้ามาด้วยตัวเองตามฤดูกาล เช่น ปลา กุ้ง เป็นต้น

• ความหลากหลายของพืช

กลุ่มพืชบก เป็นสังคมพืชบนสันทรายชายฝั่งหรือป่าชายหาด โดยสามารถแบ่งได้เป็น 3 แนว (ตามระยะห่างจากแนวน้ำขึ้น-น้ำลง) ได้แก่ สังคมทุ่งหญ้าหาดทรายชายฝั่งเป็นสังคมพืชที่อยู่ติดกับเขตน้ำขึ้น-น้ำลงบริเวณชายฝั่งที่เป็นหาดทราย ซึ่งเป็นพืชที่ทนความเค็มจากทะเล ไอเกลือ และแสงได้ดี พรรณไม้ที่พบ เช่น ผักบุ้งทะเล สังคมไม้พุ่มหาดทรายชายฝั่งอยู่ถัดจากแนวสังคมทุ่งหญ้าหาดทรายชายฝั่งขึ้นไปบนแนวสันทรายชายฝั่งที่ลาด พรรณไม้ที่พบ เช่น เสม็ดชุน เมา เป็นต้น และสังคมไม้ยืนต้นหาดทรายชายฝั่งอยู่ถัดเข้ามาในแผ่นดินมากที่สุด มีลักษณะผสมผสานระหว่างชนิดพันธุ์ไม้ที่พบได้ทั่วไปในป่าชายหาดและพรรณไม้ที่พบในป่าดิบแล้ง เช่น ยางวาด ยางนา เป็นต้น

กลุ่มพืชน้ำ แบ่งเป็นสังคมป่าเลนน้ำเค็ม พบบริเวณปากทะเลสาบซึ่งเป็นบริเวณที่ได้รับอิทธิพลจากน้ำขึ้น-น้ำลงทุกวัน พรรณไม้ชายเลนที่พบไม่น้อยกว่า 22 ชนิด ได้แก่ โกงกางใบเล็ก ตะบูนดำ ตาตุ่มทะเล หงอนไก่ทะเล สมอทะเล และลำพู เป็นต้น สังคมป่าบึงน้ำจืด/ป่าน้ำท่วม/ป่าทุ่ง เป็นสังคมพืชที่เป็นเอกลักษณ์สำคัญของเขตที่ราบลุ่มน้ำท่วมถึง เคยพบมากในบริเวณที่ราบลุ่มทั้งสองฝั่งของทะเลสาบสงขลาตอนบนที่น้ำเค็มเข้าไม่ถึง ตัวอย่างพรรณไม้ที่พบ เช่น อินทนิลน้ำ และก้านเหลือง เป็นต้น สังคมพืชน้ำ พบได้ในบริเวณที่เป็นเขตท้องน้ำที่มีน้ำอยู่ตลอดเวลาหรือพบในบางบริเวณเป็นบางฤดูน้ำหลาก สามารถแบ่งตามลักษณะของไม้น้ำตามระดับมวลน้ำ ได้เป็น 3 กลุ่ม คือ พืชที่อยู่ใต้น้ำ พืชที่โผล่พ้นน้ำแต่ขึ้นจากใต้น้ำ และพืชลอยน้ำ เช่น สาหร่ายหางกระรอก พวกสาหร่ายข้าวเหนียวชนิดต่าง ๆ เช่น บัว กระจูด แหนแดง และ จอกหูหนู เป็นต้น สังคมพืชแบบเกาะลอย เป็นลักษณะสังคมพืชที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งเกิดจากพืชพวกหญ้าที่ขึ้นสานกันแน่นแล้วหลุดลอยออกมาเป็นมวลขนาดใหญ่ดูคล้ายเกาะ ต่อมามีพวกไม้น้ำ ไม้พุ่มหรือไม้ยืนต้นขนาดเล็กอื่น ๆ มาขึ้นสะสม ขึ้นอยู่ด้านบนได้ สังคมพืชแบบเกาะลอยนี้พบได้ทั่วไปในเขตตอนใต้ของทะเลน้อยที่ต่อกับทะเลสาบสงขลาตอนเหนือ และบริเวณใกล้ฝั่งของทะเลสาบสงขลาตอนเหนือและตอนกลาง เช่น พังพวย เทียนน้ำ และหญ้าปู่เจ้าลอยท่า เป็นต้น

• ความหลากหลายของสัตว์

สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง

- กลุ่มแอนเนลิดา เช่น ไส้เดือนทะเล (Heteromastus sp., Diopatra sp., Nephtys sp.) เป็นต้น

- กลุ่มครัสเตเชียน ได้แก่ แอมฟิพอด เช่น แกมมาริดแอมฟิพอด (Grandidierella gilesi, Eriopisella sp., Victoriopisa chilkensis, Melita latiflagella) เป็นต้น ทาไนดาเชียน (Tanaidacea) เช่น Apseudes sapensis, Pagurapseudopsis thailandica กุ้ง พบกุ้งทะเลและกุ้งน้ำจืดรวมกันกว่า 30 ชนิด เช่น กุ้งแช่บ๊วย (Fenneropenaeus merguiensis) กุ้งก้ามกราม (Macrobrachium rosenbergii) กุ้งตาแฉะ (Metapenaeopsis barbata) กุ้งเคย (Acetes sp.) เป็นต้น กั้ง พบ 7 ชนิด เช่น กั้งตั๊กแตนสันแดง (Oratosquilla woodmasoni) เป็นต้น ปู พบ 25 ชนิด เช่น ปูทะเลและปูม้า (Portunidae) ปูแสม (Grapsidae) ปูนา (Parathelphusidae) ปูใบ้ (Eriphiidae) ปูก้ามดาบ และปูลม (Ocypodidae) เป็นต้น จักจั่นทะเล พบ 2 ชนิด เช่น Emerita sp. และ Hippa truncatifrons แมลง เช่น แมลงปอเข็มเล็กนานา (Agriocnemis nana) แมลงปอบ้านใต้ผู้ม่วง (Trithemis aurora) เป็นต้น

- กลุ่มมอลลัสกา ได้แก่ หอยฝาเดียว พบ 91 ชนิด (ศูนย์วิจัยทรัพยากรทางทะเลและชายฝั่งอ่าวไทยตอนล่าง, 2552) เช่น หอยลายม่วง (Nerita violacea) หอยหอมมาลายัน (Cyclophorus malayanus) หอยขม (Filopaludina sumatrensis) หอยสองฝา พบ 88 ชนิด เช่น หอยแครง (Anadara granosa) หอยกะพงสยาม (Limnoperna siamensis) หอยตะโกรมกรามขาว (Crassostrea belcheri) หอยกาบ (Physunio inornatus) หมึก พบ 9 ชนิด เช่น หมึกกระดองหางแหลม (Sepia aculeate) หมึกหูช้าง (Euprymna sp.) เป็นต้น

สัตว์มีกระดูกสันหลัง

- กลุ่มปลา พบปลา 465 ชนิด โดยองค์ประกอบของกลุ่มปลาในทะเลสาบสงขลาที่ได้พบได้ทั่วไป คือ กลุ่มปลาแป้น (Leiognathidae) ปลาไส้ตัน (Engraulididae) และปลาบู่ (Gobiidae) โดยพบทั้งกลุ่มปลาน้ำกร่อย/น้ำเค็ม เช่น ปลากะพงขาว (Lates calcarifer) ปลาท่องเที่ยวเกล็ดใหญ่ (Parapocryptes serperaster) ปลากดขี้ลิง (Hexanematichthys sagor) ปลาหัวอ่อน (Osteogeneiosus militaris) ปลากดหัวโม่ง (Arius maculatus) และกลุ่มปลาน้ำจืด เช่น ปลาไหลนา (Monopterus albus) ปลาหมอช้างเหยียบ (Pristolepis fasciata) ปลาช่อน (Channa striata) ปลาสลาด (Notopterus notopterus) เป็นต้น

- กลุ่มสัตว์ปีก พบนก 211 ชนิด เป็นนกประจำถิ่น 120 ชนิด และนกอพยพ 91 ชนิด เช่น นกกระสานวล (Ardea cinerea) นกยางเขียว (Butorides striatus) เป็ดคับแค (Nettapus coromandelianus) เหยี่ยวดำ (Milvus migrans) เป็ดแดง (Dendrocygna javanica) เป็ดหงส์ (Sarkidiornis melanotos) เป็นต้น

- กลุ่มสัตว์เลื้อยคลาน พบ 27 ชนิด เช่น งูคออ่อนปากจะงอย (Enhydrina schistosa) งูแสมรังท้องเหลือง (Hydrophis brookii) งูปลิง (Enhydris plumbea) เต่ากระอาน (Batagur affinis edwardmolli) เต่านาสามสัน (Malayemys subtrijuga) เป็นต้น

- กลุ่มสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก พบ 11 ชนิด เช่น กบน้ำเค็ม (Fejervarya cancrivora) เขียดจะนา (Occidozyga lima) เป็นต้น

- กลุ่มสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เช่น โลมาอิรวดี (Orcaella brevirostris) เสือปลา (Prionailurus viverrinus) นากใหญ่ขนเรียบ (Lutrogale perspicillata) เป็นต้น

• ชนิดพันธุ์ที่มีความสำคัญต่อระบบนิเวศ

ชนิดพันธุ์ที่เป็นเป้าหมายหลักในการอนุรักษ์ (Flagship species)

- โลมาอิรวดี (Orcaella brevirostris) ซึ่งเป็นโลมาเพียงไม่กี่ชนิดที่มีความสามารถปรับตัวอาศัยอยู่ในน้ำจืดได้ แต่จากความเสื่อมโทรมของทะเลสาบสงขลา ปัญหาน้ำเสีย รวมทั้งการใช้เครื่องมือประมง ผิดประเภท ทำให้พบการเกยตื้นค่อนข้างมากในแต่ละปี ซึ่งโลมาอิรวดีเป็นหนึ่งในสัตว์ทะเลหายากและใกล้สูญพันธุ์จึงต้องมีการอนุรักษ์และดูแลอย่างเร่งด่วน

- กระเบนบัว (Urogymnus aff. Lobistoma) เป็นกระเบนน้ำจืดชนิดหนึ่ง พบในทะเลสาบสงขลาตอนใน (ทะเลหลวง) ที่เป็นบริเวณน้ำจืดสนิทความลึก 3-10 เมตร พื้นเป็นโคลน ปนทราย รายงานการจับได้ลดลงมากกว่าร้อยละ 80 ในรอบ 52 ปี จากการถูกจับด้วยเครื่องมือเบ็ดราวและอวนลอย เป็นปลาที่นิยมบริโภคมากในท้องถิ่น อีกทั้งคุณภาพน้ำในถิ่นอาศัยมีแนวโน้มที่เสื่อมโทรมลงจากพื้นที่เกษตรและชุมชนรอบข้าง ทำให้ต้องมีการวางมาตรการในการอนุรักษ์อย่างเร่งด่วน

- เป็ดหงส์ (Sarkidiornis melanotos) เป็นสัตว์ประจำถิ่นของประเทศไทย อยู่ในวงศ์นกเป็ดนํ้า เป็นสัตว์ป่าคุ้มครองจําพวกนกลําดับที่ 123 และอยู่ในบัญชี 2 ของอนุสัญญาว่าด้วยการค้าระหว่างประเทศซึ่งชนิดสัตว์ป่าและพืชป่าที่ใกล้สูญพันธุ์ (CITES) ถือเป็นเป็นนกหายาก เนื่องจากไม่มีรายงานพบการทำรังวางไข่ในประเทศไทยมากว่า 30 ปี เพราะถูกล่าอย่างหนัก ดังนั้นจึงต้องวางมาตรการในการอนุรักษ์อย่างเร่งด่วน

- เสือปลา (Prionailurus viverrinus) เป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจำพวกเสือขนาดเล็ก อาศัยอยู่ในพื้นที่ชุ่มน้ำ ซึ่งปัจจุบันพื้นที่ส่วนใหญ่มีการใช้ประโยชน์อย่างสูงจากกิจกรรมของมนุษย์ โดยเฉพาะด้านการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำเพื่อการส่งออกและการขยายตัวของชุมชน ทำให้เสือปลาขาดแคลนถิ่นที่อยู่อาศัยและลดจำนวนลงจนใกล้สูญพันธุ์ อีกทั้งเสือปลาเป็นสัตว์คุ้มครองตามพระราชบัญญัติสงวนและคุ้มครองสัตว์ป่า พุทธศักราช 2535 จึงต้องมีการอนุรักษ์อย่างเร่งด่วน

ชนิดพันธุ์ที่เป็นตัวชี้วัดความสมบูรณ์ของระบบนิเวศ

- แกมมาริดแอมฟิพอด ซึ่งเป็นสัตว์หน้าดินกลุ่มหลักที่พบได้ทั่วไปในทะเลสาบและถูกใช้เป็นชีวดัชนีในการตรวจวัดมลพิษ เพราะเป็นกลุ่มที่มีจำนวนชนิดและมีการกระจายกว้างที่สุด อาศัยบริเวณพื้นท้องทะเล มีทั้งกลุ่มที่อยู่บนผิวดิน ขุดรูอยู่ใต้ดิน สร้างท่อ หรืออยู่กับสัตว์ชนิดอื่น เมื่อมีการรบกวนเกิดขึ้นในระบบ แกมมาริดแอมฟิพอดจะมีความอ่อนแอต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้ง่าย ไม่สามารถอพยพหนีไปอยู่ที่อื่นได้ไกลเพราะมีความจำเพาะต่อแหล่งอาศัย และเนื่องจากเป็นผู้บริโภคปฐมภูมิในห่วงโซ่อาหารที่มีขนาดเล็ก จึงได้รับผลกระทบจากการปนเปื้อนของมลพิษในตะกอนดินเร็วกว่ากลุ่มสิ่งมีชีวิตอื่นที่มีขนาดใหญ่กว่า และไส้เดือนทะเล Capitella capitate ซึ่งสามารถทนต่อสภาพระบบนิเวศที่มีอินทรียสารสะสมในปริมาณมากและมีออกซิเจนต่ำ จึงมีการใช้เป็นดัชนีบ่งชี้สภาพของระบนิเวศ ซึ่งสามารถใช้ตรวจสอบและติดตามสภาพความเป็นพิษของระบบนิเวศได้

- กระเบนบัว เป็นปลาผู้ล่าที่มักอาศัยอยู่บริเวณพื้นท้องน้ำที่มีน้ำใสสะอาด จึงเป็นตัวชี้วัดคุณภาพน้ำได้เป็นอย่างดี

- โลมาอิรวดี มักอาศัยอยู่รวมกันเป็นฝูง โดยโลมาอิรวดีกินอาหารประเภทกุ้ง หมึก หอย และปลาตัวเล็ก ๆ ใต้โคนตมและบนผิวน้ำ บริเวณที่อยู่อาศัยต้องมีแหล่งอาหารที่สมบูรณ์ โลมาอิรวดีจึงเป็นตัวชี้วัดถึงความอุดมสมบูรณ์ของระบบนิเวศได้