Озеро расположено на высоте 628 м. над уровнем моря, и когда-то в результате излияния лав и выброса на поверхность рыхлых вулканических материалов произошло опустошение местного магматического очага, впоследствии часть земной поверхности просела. В рельефе это выражено котловиной, вытянутой с востока на запад на 18 км и шириной 2-5 км.
Берега озера сложены преимущественно пемзовыми песками светлых тонов, что не очень характерно для Камчатки.
В озере обитает пресноводная форма нерки – кокань, молодь которой была выпущена в озеро из Кроноцкого и Карымского озер в 80-е годы. В 2013 году по оценкам ученых количество рыб превышало 186 тыс. экземпляров (около 11 т.), но позднее с увеличением количества рыбы уменьшилась кормовая база вследствие чего размер рыбы уменьшился, и популяция сократилась. Сейчас кокань вылавливают только в научных целях.
В близи Толмачёвского озера расположены просторные ягодники, где можно полакомится шикшей и голубикой. Поэтому ягодники входят в список «медвежьих» мест и есть большая вероятность встретить медведей по дороге на озеро, так как в их рацион питания входит не только рыба, но и ягоды, шишки и травы - они всеядны.