咸海位于哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦之间、克孜勒库姆沙漠的中部。咸海海拔53米，湖面最大时南北长435公里，东西290公里，面积68000平方公里，平均深度16米，在西海岸外最深处达69米，曾是世界第四大湖。
这几乎相当于斯里兰卡的国土面积。其支流的三角州有几十个小湖，生态丰富的沼泽和湿地遍及55万公顷。因为流入的水量（径流量）小于湖水的蒸发量，咸海的含盐量比淡水湖高得多。
在咸海全盛的时候，曾经是中亚第一大咸水湖、世界第四大湖，面积将近7万平方千米。在全盛时代，咸海曾经有发达的渔业，沿岸的从业者超过4万人，捕捞量占前苏联总捕鱼量的1/6。
海中散布着1000多个小岛。北岸地势高低不均，海岸线曲折，有许多大大小小海湾。东海岸的北部是巨大的锡尔河三角洲，南海岸也有同样大的阿姆河三角洲，西海岸是乌斯秋尔特高原。
咸海一带是极端的大陆性气候。历史上受周期性干旱气候影响，湖水位变比较大。咸海的水产有鱘、鲤、鲱、鲻等鱼类。居民除捕鱼外，还饲养牲畜、繁殖麝鼠、种植甜瓜。