Através do rio Paraguai, o Pantanal está intimamente ligado à grande bacia do rio Paraná - rio da Prata. Conexões aquáticas difusas com afluentes amazônicos existem ao norte, especialmente com o rio Guaporé.

A drenagem deste delta interno pelo médio Paraguai, por meio da barra estreita e rasa do Fecho dos Morros do Sul, faz-se com muita dificuldade. Porém, enormes quantidades de água estagnada atrás desta barragem tornam o Pantanal um labirinto imprevisível de águas paradas e correntes, temporárias ou permanentes, designadas através de grande quantidade de termos específicos pelo homem pantaneiro. Nas lendas indígenas e nos primeiros mapas, o Pantanal é lembrado como um grande lago cheio de ilhas, o "mar dos Xaraiés".

Em anos chuvosos, como em 1984 ou em 1995, o rio Paraguai expande-se em uma faixa de até 20 km de largura, invadindo os grandes lagos da fronteira boliviana e a Ilha do Caracará, regenerando temporariamente o "mar dos Xaraiés" dos antigos climas chuvosos. O rio Paraguai e os outros rios pantaneiros apresentam pouca declividade, da ordem de 20-30 cm por quilômetro, o que faz com que as águas que se acumulam nos períodos de chuvas intensas escoem com muita lentidão. Em conseqüência, as enchentes, que são máximas ao norte nos meses de março e abril, chegam ao sul do Pantanal somente em julho e agosto. Enquanto isso, imensas quantidades de água, provavelmente centenas de quilômetros cúbicos por ano, perdem-se por evaporação direta para a atmosfera. O Pantanal pode ser, com justiça, considerado a maior "janela" de evaporação de água doce do mundo.

Toda a vida e a economia do Pantanal estão ligadas a este sistema de inundações. A região é um interessante paradoxo aquático em uma área de clima continental semi-árido ou mesmo árido. Sem o abundante e raso lençol freático e os aluviões deixados pelas enchentes, a vegetação terrestre seria parecida com a do cerrado ou com a do Chaco boliviano. Igualmente, a rica fauna de aves e mamíferos depende, na sua grande maioria, da alimentação aquática. O Pantanal pode ser visto, então, como uma grande e dinâmica interface entre o mundo aquático e o terrestre.

A vegetação aquática é fundamental para a vida pantaneira. As plantas flutuantes são os principais produtores primários nas águas do Pantanal. Imensas áreas são cobertas por "batume", que são plantas flutuantes, tais como o aguapé (Eichhornia) e a Salvinia, entre outras. Levadas pelos rios, estas plantas constituem verdadeiras ilhas flutuantes, os camalotes.

Após as inundações, a camada de lodo nutritivo permite o desenvolvimento de uma rica vegetação de ervas. A palmeira carandá (Copernicia australis) ocorre em extensas formações nas áreas em que as inundações dominam mas que ficam secas durante o inverno, permeando com os cupinzeiros, onde se inicia o paratudal. Os paratudais, formados pelos ipês roxos (Tabebuia, localmente chamado piúva), são típicos.

Numa região um pouco mais elevada, já com áreas não inundáveis, há uma vegetação característica de cerrado. Há ainda no Pantanal áreas com mata densa e sombria (com Piptadenia, Bombax, Magonia, Guazuma). Em torno das margens mais elevadas dos rios aparece a palmeira acuri (Attalea principes), formando uma floresta de galerias juntamente com outras árvores, como o pau-de-novato (Triplaris formicosa), a embaúba (Cecropia), o genipapo (Genipa) e as figueiras (Ficus). Em pontos altos dos morros aparece uma vegetação semelhante à da caatinga, com a bromeliácea Dyckia e os cactos cansanção e mandacaru (Cereus).

O passado geológico permitiu ao Pantanal constituir-se no maior entroncamento dos intercâmbios da flora e da fauna aquática da América do Sul. Atualmente é povoado por uma variedade de organismos amazônicos e sulistas. Sendo principalmente um corredor de intercâmbios, não abriga fauna endêmica rica, como a Amazônia, e são as quantidades e não as raridades que o caracterizam.

O Pantanal oferece ao visitante uma variedade de paisagens abertas povoadas por grandes populações de animais, cuja alimentação depende da fase aquática. Assim, nas lagoas, a microflora e a microfauna permitem o desenvolvimento de ricas populações de caramujos aruas (Pomacea, Marisa e outros) e de conchas (Anodontides, Castalia e outras), que sustentam uma variedade de predadores destes moluscos, como aves e répteis.

Os inúmeros cardumes de pitu (Macrobrachium) e as várias espécies do caranguejo (Trichodactylus, Dilocarcinus e outros) possuem importância econômica indireta: servem de iscas para os pescadores. Entre os peixes abundantes, há o corumbatá, o pacú, o cascudo, o pintado, o dourado, o jaú e as piranhas. Entre os comedores da vegetação aquática destacam-se as grandes populações de capivaras (Hydrochaeris, hydrochaeris) e de búfalos. O cágado (Platemys) é também vegetariano. A ariranha (Pteronura brasiliensis), importante predador piscívoro, outrora abundante, foi quase exterminada pelos caçadores. Destino semelhante pode ter o jacaré (Caiman crocodilus yacare), dizimado pela caça ilegal dos últimos anos.

Os jacarés têm papel importante nas águas pantaneiras, onde funcionam como predadores "reguladores" da fauna piscícola e, às vezes, como agentes relevantes da ciclagem de nutrientes. Onde há muitos jacarés são encontradas poucas piranhas. Quando os jacarés são dizimados pela caça indiscriminada dos "coureiros", a população de piranhas agressivas aumenta em detrimento de outras espécies de peixes, podendo chegar a ser perigosa até para os seres humanos.

Outro importante predador aquático e semi-terrestre é a sucuri (Eunectes notaeus), cobra injustamente perseguida pelos pantaneiros. As cobras são escassas no Pantanal, principalmente nas áreas inundáveis. Mas há cobras d'água (Liophis, Helicops), jararacas (Bothrops neuwiedii) e boipevaçu (Hydrodynaste gigas).

As aves do Pantanal são um de seus maiores atrativos. Reunidas em enormes concentrações, exploram os recursos alimentares aquáticos. O tuiuiú (Jabiru mycteria), a cabeça-seca (Mycteria americana) e o colhereiro (Ajaia ajaja), além das garças biguás e patos são os mais vistosos. Muitas espécies nidificam em áreas comuns, sobre determinadas árvores, conhecidas como ninhais, que se destacam na paisagem pantaneira. Um espetáculo admirável é acompanhar as aves, ao anoitecer ou ao amanhecer, aos dormitórios à beira dos rios, onde passam as noites.

Aves típicas do Pantanal são também o aracuã-do-pantanal (Ortalis canicollis), a arara-azul (Anodorhyncus hyacinthinus), que corre o risco de extinção, o periquito de cabeça preta (Nandayus nenday). O pequeno cardeal (Paroaria capitata) é ave característica deste ecossistema. A enorme abundância de aves de rapina, especialmente o caracará (Polyborus), refletem a riqueza da presa animal. O gavião caramujeiro (Rosthramus sociabilis) alimenta-se de moluscos.

Entre os primatas, o macaco-prego (Cebus apella) vive ali, ao lado do bugio (Alouatta caraya). Porcos monteiros, descendentes de suínos domesticados, também proliferam em meio à vegetação pantaneira densa. Assim como a onça (Panthera onca), vários outros felinos são atraídos pela abundância de presas. O predador de topo na beira das águas é a onça-pintada, junto a outros felídeos e canídeos. Entre as aves, a ema (Rhea americana) e a seriema (Cariama cristata) são típicos habitantes do cerrado. Naturalmente, a rica fauna oferece muitas oportunidades para as aves de rapina e para os comedores de carcaças.

As paisagens abertas do Pantanal facilitam o recenseamento aéreo das populações de grandes vertebrados. Estima-se, por exemplo, que existam hoje 10 milhões de jacarés, 600 mil capivaras, mas somente 35 mil cervos-do-pantanal.