Tonlé Sap (bahasa Khmer: ទន្លេសាប); Istilah "Tonlé" berarti "Sungai Besar Air Tawar" akan tetapi secara umum diterjemahkan sebagai "Danau Besar", adalah paduan sistem danau dan sungai yang terletak di Kamboja.

Tonle Sap adalah danau air tawar terbesar di Asia Tenggara, dan merupakan titik penting keanekaragaman hayati yang dijadikan biosfer UNESCO pada 1997.

Tonle Sap memiliki dua keunikan: pertama; alirannya berubah arah dua kali setiap tahun, serta kedua; ukuran danau mengembang dan mengecil secara dramatis sesuai musim. Dari bulan November hingga Mei, Kamboja mengalami musim kemarau, aliran air Tonle Sap masuk menuju Sungai Mekong di Phnom Penh. Akan tetapi pada saat curah hujan tinggi di musim hujan yang dimulai pada Juni, aliran air berbalik dari sungai Mekong mengisi Tonle Sap hingga mengembang menjadi danau yang luar biasa besar.

Di kebanyakan waktu sepanjang tahun, danau relatif dangkal, sekitar satu meter dengan luas area 2.700 km². Ketika musim muson (musim penghujan) aliran airnya berbalik, sungai Tonle Sap yang terhubung dengan sungai Mekong mulai mengubah arah alirannya. Air mulai masuk dari sungai Mekong dan mengisi danau sehingga Tonle Sap membengkak mencapai ukuran luas 16.000 km² dengan kedalaman mencapai 9 meter. Membanjiri dataran banjir dan hutan di sekitarnya. Dataran banjir ini penting untuk pengembangbiakan ikan.

Sistem yang memompa air serta dataran banjir yang luas, keanekaragaman hayati, endapan tahunan yang membawa tanah subur dari sungai Mekong, menjadikan Tonle Sap sebagai lahan perikanan darat paling produktif di dunia yang mampu menopang lebih dari tiga juta orang dan menyediakan 75 persen tangkapan ikan tahunan Kamboja, serta 60 persen asupan protein warga Kamboja. Pada akhir musim penghujan, aliran air berbalik dan ikan terbawa ke aliran air Mekong.

Pengamat nasional dan asing menyatakan bahwa Tonle Sap dengan cepat terisi endapan tanah. Akan tetapi penelitian mengenai sedimentasi paling mutakhir menyatakan bahwa sedimentasi danau berada dalam kisaran 0.1-0,16 mm/tahun sejak 5.500 tahun yang lalu. Karena itu tidak ada ancaman sedimentasi terhadap danau, bahkan proses ini merupakan bagian penting dari ekosistem, menyediakan nutrisi penting yang memicu produktivitas dataran banjir.

Aliran air Tonle Sap yang berbalik juga berfungsi sebagai katup pengaman untuk mencegah banjir hebat di kawasan hilir sungai. Pada musim kemarau (Desember ke April), Tonle Sap menyediakan 50% debit aliran air di delta Mekong di Vietnam.

Danau ini menempati cekungan yang tercipta akibat tekanan geologi yang terjadi akibat benturan lempeng anak benua India dengan lempeng Asia. Tahun belakangan ini pembangunan bendungan tinggi di China Selatan dan Laos mengancam kekuatan aliran dan volume Tonle Sap; sebuah fenomena yang terlambat disadari pemerhati lingkungan. Kini tangkapan ikan semakin berkurang.

Tonle Sap dan provinsi sekitarnya merupakan bagian dari Suaka Biosfer Tonle Sap. Terdapat sembilan provinsi yang menjadi bagian suaka biosfer ini, yaitu; Banteay Meanchey, Battambang, Kampong Chhnang, Kampong Thom, Preah Vihear, Pursat, Siem Reap, Otdar Meanchey, dan Krong Pailin.