Der Zwenkauer See liegt etwa zwölf Kilometer südsüdwestlich des Leipziger Stadtzentrums, südöstlich des Leipziger Stadtteils Knautnaundorf und nordöstlich des Zwenkauer Stadtteiles Zitzschen; Anteile an der Seefläche haben sowohl Leipzig als auch Zwenkau. Die kürzeste Entfernung zum nördlich befindlichen Cospudener See beträgt zirka 700 Meter. Zwischen beiden Seen verläuft die A 38. Nördlich von dieser liegt der Freizeitpark Belantis.
Der Zwenkauer See hat, bedingt durch die bergbaulichen Erfordernisse, eine unregelmäßige Gestalt. Der Tagebau Zwenkau umrundete die Stadt in seinem 70-jährigen Betrieb in nahezu einem Dreiviertel-Kreisring, von Süden kommend östlich und nördlich an der Stadt vorbei. Obwohl große Teile der Tagebaufläche wieder rekultiviert wurden und jetzt die Neue Harth bilden, musste die Zufahrt in die Grube östlich von Zwenkau bis zum Schluss offen bleiben. Ebenso unverfüllt sind auch die letzten Abbauflächen im Nordwesten der Stadt. Daher verläuft der See östlich von Zwenkau über zirka zwei Kilometer in etwa Nord-Süd-Richtung bei einer Breite um 400 Meter, wendet sich dann nach einer nordöstlichen Ausbuchtung auf 600 Meter verbreitert nach Westen und öffnet sich zu einem annähernden Dreieck von 2,5 Kilometer Kantenlänge.
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