里海的南面和西南面被厄尔布尔士山脉和高加索山脉所环抱，其他几面是低平的平原和低地。里海南北狭长，形状略似“S”型，南北长约1200公里，是世界最长及唯一长度在千公里以上的湖泊。东西平均宽约320公里，湖岸线长约7000公里，面积371000平方公里，大小几乎与波罗的海相当，规模为亚速海的10倍，相当全世界湖泊总面积（270万平方公里）的14%，比著名的北美五大湖面积总和（24.5万平方公里）还大出51%。湖水总容积为76000立方公里。
里海有曼格什拉克、哈萨克、土库曼、克拉斯诺沃茨克等海湾。里海的水面低于外洋海面28米，湖水平均深度约180米。里海的湖底深度不同，北浅南深，湖底自北向南倾斜，大体上可以分为三部分：北部一般深4～6米；中部水深170～790米；南部最深，最大深度可达1025米。里海有岛屿约50个，面积约350平方公里。有伏尔加河、乌拉尔河、库拉河、捷列克河等130多条河流注入。1940～1970年，平均每年流入的淡水量286.4立方万公里，其中伏尔加、乌拉尔和捷列克河约占90%以上。
里海位于荒漠和半荒漠环境之中，气候干旱，蒸发非常强烈。据统计，里海每年的进水总量为338.2立方公里，而每年的耗水量则为361.3立方公里，进得少，出得多，出现了入不敷出的“赤字”，湖水水面必然会逐步下降。1930年湖的面积为42.2万平方公里，到1970年已经缩小到37.1万平方公里了。因为水分大量蒸发，盐分逐年积累，湖水也越来越咸。由于北部湖水较浅，又有伏尔加河等大量淡水注入，所以北部湖水含盐度低，为0.2%，而南部含盐度高达13%。
里海的水位，7月最高，2月最低，北部水位高低之差为2～3米，中部和南部仅有20～50厘米，最大也不超过1.5米。里海的水温，夏季南北水域基本相同，为26℃左右。冬季北部水温0℃以下。南部的平均温度为8～10℃，北部浅水区每年冰期2～3个月。
里海地区石油资源丰富，两岸的巴库和东岸的曼格什拉克半岛地区，以及里海的湖底，是重要的石油产区。里海湖底的石油生产，已扩展到离岸数十公里的水域。里海生物资海丰富，既有鲟鱼、鲑鱼、银汗鱼等各种鱼类繁衍，也有海豹等海兽栖息。里海含盐量高，盛产食盐和芒硝。卡拉博加兹戈尔湾是大型芒硝产地。
里海地区航运业较发达。通过伏尔加河及伏尔加—顿河等运河，实现了白海、波罗的海、里海、黑海、亚速海五海通航。但由于北部水浅，航运受到一定限制。在巴库和克拉斯诺沃茨克之间有火车轮渡。运输货物以石油为主，其次为粮食、木材、棉花、食盐、建筑材料等。沿岸主要港口有阿塞拜疆共和国的巴库，俄罗斯联邦共和国的阿斯特拉罕、马哈奇卡拉，哈萨克斯坦共和国的舍甫琴柯，土库曼斯坦共和国的克拉斯诺沃茨克，伊朗的恩泽利和托尔卡曼港等。