Der Altmühlsee ist Teil eines Wasserregulierungssystems, das Wasser aus dem wasserreichen Flusssystem des Donaueinzugsgebiets unter der Europäischen Hauptwasserscheide hindurch in das wasserärmere Regnitz-Main-Gebiet überführt. Dabei fließt das ausgelassene Seewasser in leichtem Gefälle über den teils unterirdischen Altmühlüberleiter und den Kleinen Brombachsee in den Großen Brombachsee.