La pianura bonificata circostante il lago di Massaciuccoli era in origine interamente coperta da zone palustri, formate dalle antiche foci del Serchio. I terreni palustri residui, localizzati a nord del lago, sono tuttora di ampiezza rilevante (quasi doppia rispetto alla superficie dello specchio d’acqua principale). Tutto il lago e parte della zona palustre sono inclusi nel Parco Naturale di Migliarino – San Rossore, che non è stato in grado di arrestare alcune forme di pesante degrado ambientale.
Il lago è provvisto di un emissario funzionale, il Canale Burlamacca che si getta entro il porto di Viareggio, e di un altro, il fosso della Bufalina, dal quale le acque vengono spinte al mare tramite un impianto idrovoro; gli immissari consistono nel modesto Rio di Quiesa, il canale Barra e soprattutto nei canali di drenaggio delle bonifiche retrostanti la sponda pisana, che apportano acque di cattiva qualità.
Il bacino era conosciuto già in epoca romana, come si rileva dalla Tabula Peutingeriana, come lago delle Fosse Papiriane. Dal tardo medioevo il lago divenne zona di confine tra la Repubblica di Lucca con la Repubblica di Pisa prima, poi con il Granducato di Toscana. Tale situazione politica rallentò possibili opere di bonifica unitarie; nel corso dei secoli XVII e XVIII la sponda meridionale fu oggetto di limitate bonifiche toscane. Sulla riva meridionale il governo mediceo si occupò della bonifica di vaste aree paludose (paludi del Bellino, Val di Stratt, delle Prese, di Malaventre) che arrivavano quasi alla riva settentrionale del basso corso del Serchio.
La zona, divenuta di proprietà della Corona granducale (fattoria di Vecchiano) fu oggetto di vasti interventi di bonifica, anche con l’apporto di privati, come nel caso dell’imprenditore olandese van der Stratt a cui nel 1650 furono date a livello vaste aree della zona (da qui la successiva denominazione del padule di Val di Stratt).
Furono aperti da parte della toscana numerosi fossi di scolo come quello del Bellino e della Barra e da parte lucchese il fosso di confine della Bufalina che raccoglievano le acque delle colline circostanti e delle piene del lago per farle defluire nel Serchio o in mare, risanando anche le importanti strade internazionali Pietrasantina che da Pisa, attraverso la selva di Migliarino, arrivava a Viareggio e la via di Pietra a Padule (già tratto della Francigena) che costeggia tuttora la riva orientale del lago da Avane a Massaciuccoli. Si dovrà attendere gli anni ’20 del XX secolo per la bonifica meridionale del lago.
Da parte lucchese si mise in atto la vasta bonifica sulle rive lacustri settentrionali, iniziata col canale emissario della Burlamacca e la costruzione di cateratte vinciane (1741) per il controllo dei flussi marini e lacustri, oltre lo scavo di numerosi canali adiacenti (delle Selici, di Stiavola, di Colle Sereno, del rio di Scarda, del rio di Cagliorata, del rio di Pastinavella, delle Quindici, di Malfonte, del Pantaneto di Massarosa, della cava di Bozzano, ecc.). Tuttavia lo scavo del Fosso della Bufalina, che doveva essere il principale emissario del lago, si rivelò un fallimento, infatti avendo poca pendenza e con la foce esposta al Libeccio, fu spesso soggetto all’insabbiamento;
Nella prima metà del XIX secolo l’architetto Lorenzo Nottolini ideò un progetto per la bonifica del lago per conto della Repubblica di Lucca. Tale ipotesi, che non ebbe seguito, prevedeva di scavare un letto artificiale per il Serchio, che sarebbe andato a sboccare in mare più a nord, drenando le acque delle paludi e del lago e coinvolgendo parzialmente anche la bonifica del lago di Bientina, con il potenziamento del canale Ozzeri-Rogio nel Serchio. Sempre durante il Ducato di Lucca (nel regno di Carlo Lodovico) le acque delle aree palustri poste a nord del lago vennero utilizzate per dar luogo a risaie abbastanza estese.
Alla fine del XIX secolo il musicista lucchese Giacomo Puccini acquistò una casa a Torre, sulla riva occidentale del bacino. La struttura venne trasformata in un elegante villino che divenne luogo di residenza preferito del maestro. Puccini è sepolto nella cappellina della casa e la località, in suo onore venne ribattezzata Torre del Lago Puccini, frazione di Viareggio. Il lago fu inoltre uno dei soggetti più spesso ritratti da alcuni esponenti della pittura macchiaiola e post-macchiaiola, come Cabianca, Pagni e soprattutto i fratelli Tommasi.
Nonostante questi aspetti culturali, la zona è stata storicamente interessata da pesanti manomissioni ambientali dovute a forme improprie di sfruttamento, a cominciare da quello della Torbiere d’Italia SpA, che produsse ai primi del secolo scorso tre enormi cicatrici nel manto palustre a nord dello specchio acqueo (il Fosso Morto, Punta Grande e il Centralino), per proseguire con il business dell’estrazione delle sabbie silicee.
Il parco è suddiviso in alcune aree principali. La Macchia Lucchese è la fascia boscosa a nord, racchiusa tra Viareggio, Torre del Lago Puccini e la costa. L’area del Massaciuccoli comprende il lago e l’area palustre che lo circonda. La Fattoria di Vecchiano e la Fattoria di Massaciuccoli sono invece le vaste aree di bonifica sottratte al lago, rispettivamente nel Comune di Vecchiano e nel Comune di Massarosa. Le due aree si differenziano dalle pompe idrovore che le gestiscono. Continuando lungo la costa vi sono le importanti tenute di Migliarino, di San Rossore, di Tombolo e di Coltano, in parte adibite ad agricoltura e in parte a bosco.
Completano le aree di gestione del parco le secche della Meloria, un importante sistema di secche, con due scogli affioranti, dotati di fondali dall’importante valore naturalistico. Presenta varie tipologie di ambienti naturali. È prevalente l’area boschiva, infatti un terzo della superficie del Parco è ricoperta da boschi e presenta alberi di pioppo, ontano, frassino, leccio e pino (pino domestico e pino marittimo). Inoltre sono presenti anche dune ed aree palustri. In questi ambienti è presente una flora rara (drosere, periploche, osmunda, ibisco rosa).