裏海是古地中海的壹部分，曾經與黑海和大西洋相連。直到中新世晚期才逐漸成為封閉水域。至今，南裏海仍保留著海洋底層水的特征。因此，海洋學家認為，裏海雖然四面被陸地包圍，但仍可視為壹片海。
地質地貌整個海域可分為北、中、南三部分，中間被許多島嶼和淺灘隔開。北裏海岸坡平緩，水深很淺，只有4 ~ 8米，最深處只有25米。海底為波紋狀沈積平原，水量僅占總水量的1%。在中裏海，大高加索山脈的海岸線上有很多陡坡，東海岸靠近曼格什拉克高原，比較陡峭。底部是東部的陸架和西部的傑爾巴特盆地，水深790米；水約占裏海的三分之壹。南裏海有壹個低海岸，壹個寬闊的東西大陸架和壹個西面的窪地。它是裏海最深處，水量很大，約占整個裏海的三分之二。北裏海海底沈積物、含貝殼的沙子；中裏海凹陷泥砂泥多，東西海岸貝殼、礫砂、黏泥多；南裏海的深水區是含有硫化鐵薄層的淤泥和粘土，東西兩岸的邊緣區是沙子、石灰泥、貝殼和礫石。
氣候海域跨越幾個不同的氣候帶。盡管北裏海屬於大陸性氣候，但變化並不劇烈。中裏海西部氣候溫和，東部為幹燥的沙漠氣候。南裏海屬於亞熱帶氣候，夏季幹燥。冬季裏海天氣不穩定，氣溫變化大。北部平均氣溫-8 ~-10℃，南部平均氣溫8 ~ 10℃。風向多變，以偏東和東北風為主。風力5.5 ~ 10.7米/秒，中間有時可達20.8 ~ 28.4米/秒。夏天，海洋受高氣壓控制，經常有微弱的海風吹向陸地，所以天氣非常穩定。溫度變化不大。最熱月平均氣溫28 ~ 29℃，極端最高氣溫可達44℃，年平均降水量200 ~ 1700 mm，分布不均，東部沿海較少，西南部沿海較多。年蒸發量壹般為1000mm，南裏海東部和阿普舍龍半島達到1400mm。
水文特征流以氣旋環流為主，各海區可形成壹定的局地環流。北裏海和伏爾加河入海後分為兩股支流:主河沿西岸向南流；另壹支沿北岸向東流動，在東北方向形成壹個小型反氣旋環流。流速隨風向變化，壹般在10 ~ 15cm/s之間，有較強偏北風時，西部流速達30 ~ 40 cm/s，最大可達100 cm/s，裏海中部受大氣旋環流控制。南裏海西北部和東南部有氣旋環流。因此，在裏海西部形成壹股由北向南的沿岸流，平均流速為25 ~ 35厘米/秒，而在東部出現壹股由南向北的沿岸流。平均速度約為10 ~ 15厘米/秒。
水溫的分布因季節和地域而異。在冬季，南北方的地表水溫差異很大。2月份，北裏海的氣溫只有0.1 ~ 0.5℃，南裏海的氣溫可達8 ~ 10℃..夏季溫差較小，壹般為24 ~ 27℃，水溫垂直分布也隨季節變化。冬季，北裏海和中裏海水溫幾乎不變，南裏海在50 ~ 100米深度有壹個溫躍層。夏季，中部和南部海域30 ~ 50米深度的上下層溫差較大。
流入裏海的河流有130條，年入海徑流量300多立方千米。其中，伏爾加河入海徑流量256立方千米，占裏海總徑流量的85%。入海流量具有較大的季節和年際變化，直接影響鹽度和水位的變化。海水中氯化物含量低，硫酸鹽和碳酸鹽含量高。海水的鹽度比海水的標準鹽度低約三分之二。中南部壹般為12.0 ~ 13.0，伏爾加河三角洲以外鹽度只有0.2。鹽度的季節變化經常在0.17和0.21之間。65438年2月至次年4月，北裏海經常結冰。冰厚壹般0.5 ~ 0.6m，最厚1m。在強勁的北風下，漂流冰可以向南漂流到阿普舍龍半島附近。
長周期和超長周期的水位顯著變化是裏海最顯著的現象。研究證實，19世紀早期的裏海水位比4000 ~ 6000年前低22米。7 ~ 11世紀期間，有壹次低水位。1930 ~ 1957期間，受伏爾加河上修建水庫、工農業用水過多、氣候幹燥的影響，水位再次下降。自20世紀70年代初以來，裏海的水位壹直保持在-28.5米左右。水位季節變化很大，春夏高，冬季低，年變化可達33厘米。裏海的風顯著地增加或減少了水。在伏爾加河三角洲，有時風使水減少4-5米，風使水增加2米。
有很多種生物和資源，動植物。500多種植物。有850種動物，其中15種是典型的北極和地中海動物。此外，大西洋中部還有暖水動物。常見的魚有鱘魚、鯡魚、鱸魚和鯡魚。由於水位下降和鹽度的變化，生物的生長受到影響，導致捕魚量大幅減少。
油氣資源豐富。海底石油的開采主要集中在蘇聯的阿塞拜疆近海。在Kara-Bogaz-Goer開采的硫酸鈉也具有重大的經濟意義。然而，礦產資源的開發對裏海漁業的發展產生了負面影響。