里海位于亚、欧两洲之间，南面和西南面被厄尔布尔士山脉和高加索山脉环抱，其他几面是低平的平原和低地。
里海的水源补给来自伏尔加河、乌拉尔河，以及地下水和大气降水。其中，伏尔加河水带来进水量的70%左右是里海最重要的补给来源。里海位于荒漠和半荒漠环境之中，气候干旱，蒸发非常强烈，而且进得少，出得多，湖水水面逐年下降。较之往年，现在湖水面积大大缩小。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，而南部含盐度是北部的数十倍。里海含盐量高，盛产食盐和芒硝。
