整个海区可分为北、中、南三部分，其间被许多岛屿和浅滩隔开。北里海，岸坡平缓，水量只占总水量的1%。中里海底部，东为陆架，西为杰尔宾特海盆；水量约占里海的1/3。南里海，海岸低平，东西陆架较宽，往西为洼地，是里海最深的地方，水量较大，约占全里海的2/3。海底沉积物，北里海多含贝壳的砂；中里海洼地多泥和砂质泥，东西两岸近海则多贝壳、砾石砂和粘泥；南里海深水区为泥和含有薄层硫化铁的粘泥，东西两岸边缘区为砂、灰质泥、贝壳和砾石。

里海与咸海、地中海、黑海、亚速海等，原来都是古地中海的一部分，经过海陆演变，古地中海逐渐缩小，上述各海也多次改变它们的轮廓、面积和深度。所以，今里海是古地中海残存的一部分，地理学家称之为“海迹湖”。

里海南北狭长，形状略似“S”型，有曼格什拉克、哈萨克、土库曼、克拉斯诺沃茨克等海湾。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286.4万立方公里，其中伏尔加、乌拉尔和捷列克河约占90%以上。

里海的湖底深度不同，北浅南深，湖底自北向南倾斜，北里海面积99,404km2（38,380平方哩），是海中最浅部分，平均深度为4～6米，在与中里海的分界沿线最深达20米。海底由单一的波形沉积平原构成。中里海面积137,918Km2（53,250平方哩），形成不规则盆地，西坡陡峭，东坡平缓。最浅部分——深度达101～140米的大陆棚——沿两岸延伸，最西面的坡由于水下塌方和峡谷而沟壑纵横。

阿普歇伦暗滩为一沙洲和岛屿带，从水下古老的岩石上面升起，是向面积约149,106Km2（57,570平方哩）的南里海盆地过渡的标志。一系列水下山岭打破北部地形，但盆地底部其他地方为一坦荡的平原，而里海最深处则在此。

里海共有50个岛屿，多为小岛。西北部的车臣岛最大，其次有秋列尼（Tyuleny）岛、莫尔斯科依（Morskoy）岛、库拉雷（Kulaly）岛、日洛依（Zhiloy）岛和奥古尔钦斯基（Ogurchin）岛。

里海海流主要为气旋性环流，各个区域又可形成若干局部性环流。

北里海，伏尔加河径流入海后分成两支：主要的一支沿西岸向南流；另一支沿北岸向东流，在东北部形成一个小型的反气旋型环流。流速随风而异，一般为10～15厘米/秒，有强劲偏北风时，西部流速达30～40厘米/秒，最大可达100厘米/秒。

中里海被一个大型的气旋型环流所控制。

南里海的西北和东南部，各有一个气旋型环流。因而，使里海西部形成一支自北向南的沿岸流，平均流速为25～35厘米/秒，而东部则出现自南向北的沿岸流。平均流速约为10～15厘米/秒。

里海水温分布随季节和地区而不同。冬季，表层水温南北差异较大，2月北里海仅0.1～0.5°C，南里海可达8～10°C。夏季，温差较小，一般为24～27°C。无酷暑，温度不高。水温的垂直分布也随季节而变化。冬季，北里海和中里海，水温几无变化，南里海在50～100米深处有温跃层。夏季，中部的30～50米深处和南部海区，上下层温差较大。

里海共有130条入海河流，每年入海径流量为300立方公里以上。其中伏尔加河入海径流量为256立方公里，占里海总径流量的85%。入海径流量有较大的季节变化和年际变化，直接影响着盐度和水位的变化。海水中氯化物的含量较低，而硫酸盐和碳酸盐的含量较高。海水的盐度约比大洋水的标准盐度低三分之二。

里海中部和南部一般为12.0～13.0，伏尔加河三角洲以外，盐度仅0.2。盐度的季节变幅常在0.17～0.21之间。12月至翌年4月，北里海常有结冰现象，冰厚一般为0.5～0.6米，最厚为1米。在强劲北风作用下，流冰可向南漂移到阿普舍伦半岛附近。

里海水位的长周期和超长周期的显著变化是里海最引人瞩目的现象。研究证实，里海19世纪初期的水位要比4000～6000年前的水位低22米。7～11世纪期间，出现较低水位。1930～1957年间，由于伏尔加河上建水库，工农业过量用水，气候干燥等影响，致使水位又下降。自20世纪70年代初以来，里海水位保持在-28.5米左右。水位季节变化大，春夏高而冬季低，年变幅可达33厘米。里海的风增减水十分显著，伏尔加河三角洲海域，有时风减水达4～5米，风增水也可达2米。

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。里海的风增减水十分显著，伏尔加河三角洲海域有时风减水达4～5米，风增水也可达2米。

里海位于荒漠和半荒漠环境之中，气候干旱，水分蒸发非常强烈。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361.3km3，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。

里海水位下降是由于气候变化减少河流注入而增加了蒸发，窝瓦河上建设水库加重了这一情况，也由于灌溉和工业对河水的消耗。水位上升则与导致窝瓦河注入量增加的气候因素有关，该河若干年来的注入量一直大大高于平均值。海面降水增加和蒸发减少也促成这一现象。

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。

从1995年开始，里海水位就一直在不断下降，而2019年年末的水位已经达到了近30年来的最低水平。

2019年里海海平面较2018年下降了至少13CM，平均水平为27.18米。

作为里海主要水量来源的伏尔加河（80%的水量）水流量的大幅减少，是导致里海海平面下降的主要原因。

此外，里海地区平均气温的上升，也是导致海平面下降的原因之一。

随着气候变化和海水的不断蒸发，里海海平面在未来几年内仍将持续降低。

里海海流基本沿西海岸从北向南运动，在远南发展为复杂模式，形成数股支流。海流在与强风相合之处可以加速，海面往往波涛汹涌。在阿普歇伦半岛附近，风暴掀起的最大波浪高过9米。

里海海流主要为气旋性环流，各个海域又可形成若干局部性环流。北里海，伏尔加河径流入海后分成两支：主要的一支沿西岸向南流；另一支沿北岸向东流，在东北部形成一个小型的反气旋型环流。流速随风而异，一般为10～15厘米/秒，有强劲偏北风时，西部流速达30～40厘米/秒，最大可达100厘米/秒。

中里海被一个大型的气旋型环流所控制。南里海的西北和东南部，各有一个气旋型环流。因而，使里海西部形成一支自北向南的沿岸流，平均流速为25～35厘米/秒，而东部则出现自南向北的沿岸流，平均流速约为10～15厘米/秒。

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‰。

里海是是仅次于波斯湾和俄罗斯西伯利亚的世界第三大油气产区，石油和天然气是这一地区最重要的资源。开发始于20世纪20年代，自从第二次世界大战结束以来得到相当发展。采用钻井平台和人工岛开采海底石油。里海地区石油资源丰富，西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。

里海的水是咸的，有许多水生动植物也和海洋生物差不多。里海生物资源丰富，既有鲟鱼、鲑鱼、银汉鱼等各种鱼类繁衍，也有海豹等海兽栖息。约有850种动物和500多种植物；尽管对于如此浩阔的水体而言生物种类数量较低，其中许多物种却是其特有的。蓝绿藻和矽藻构成生物量最大的集团，还有数种红藻与褐藻。

动物一直受到盐度变化的极大影响，包括鲟、鲱、狗鱼、鲈和西鲱鱼；数种软体动物；以及包括海绵在内的其他各种微生物。约15种北冰洋型（如里海海豹）和地中海型物种充实基本动物。里海长期以来一直以其鲟著称，产量约占世界渔获量的4/5。在水位下降和随之而来的条件最有利的产卵场干涸的长时期内，鲟数量锐减。已经采取一些包括禁止在公海捕鲟及推行水产养殖在内的措施，以图改善这一状况。海豹也在北部海域得到发展。

里海含盐量高，盛产食盐和芒硝。从卡拉博加兹戈尔湾提取硫酸钠一类矿物也具有相当重要的经济意义。

里海北部位于温带大陆性气候带，而整个里海中部（及南部大部海区）则位于温热带。西南部受副热带气候影响，东海岸以沙漠气候为主，温度较北里海高。从而造成多变的气候。大气环流冬季以寒冷、明净的亚洲反气旋为主，而在夏季亚速尔群岛高压分支和南亚低压中心发生影响。狂烈的风暴与北风和东南风有关。

海区纵跨几个不同的气候区。北里海虽属大陆性气候，但变化不剧烈；中里海西部气候温和，而东部则为干燥的沙漠气候；南里海属夏季干燥的亚热带气候。冬季里海的天气不稳定，气温变化较大。平均气温，北部为-8～-10°C，南部为8～10°C。风向多变，而以东风和东北风占优势。

风力为5.5～10.7米/秒，中部有时可达20.8～28.4米/秒。夏季，海上受高压控制，常有微弱海风向大陆吹，天气十分稳定。气温变化不大，最热月平均温度为28～29°C，极端最高气温可达44°C。平均年降水量为200～1700毫米，分布不均，东海岸少，西南海岸多。年蒸发量一般为1000毫米，南里海的东部和阿普舍伦半岛达1400毫米。

北部湖岸低平，具有大量被乌拉河、捷列克河，特别是伏尔加河冲刷下来的冲积物质，这些河流的三角洲得到广泛开发。中部西岸多丘陵。大高加索山脉的山麓看似相近，但却被狭窄的海滨平原将其与海岸分隔开来。阿普歇伦半岛在那里伸入海中，巴库市坐落在半岛上，而就在其南面，库拉河与阿拉斯河的泛滥平原构成阿拉斯低地。

里海西南岸和南岸是由兰卡兰和吉兰-马赞达兰低地的沉积物形成的，塔利什山脉（Talish）和厄尔布尔士山脉（Elburz）的高峰在内陆不远处耸立。里海南部东岸亦低且不太陡峭，由波浪活动造成的沉积物形成；被低矮的、多丘陵的切列肯（Cheleken）半岛和土库曼巴希半岛猝然打断。

中部东岸大部地方陡峭，还摧毁了石灰岩的曼格什拉克高原和肯德尔利-卡亚桑（Kendyrli-Kayasansk）高原的边缘。这一地区最重要的特征是卡拉博加兹戈尔（Kara-Bogaz-Gol）湾，原为里海的一海湾，但如大潟湖似的形成港湾。

主要河流有伏尔加河、乌拉尔河、库拉河、捷列克河等130多条长短河流注入，每年入海径流量为300Km3以上。伏尔加河、乌拉河与捷列克河——注入里海北部，它们合在一起的年水量达注入里海的所有河水的88%，其中伏尔加河入海径流量为256Km3，占里海总径流量的85%。

苏拉克河、萨穆尔河（Samur）、库拉河及一些较小的河流从西海岸注入，提供7%左右的水量，其余水量来自伊朗海岸的河流。东部沿海地区则完全没有常流河。

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。

1991年以前，里海是平静的，那里没有争议，更没有冲突。因为那时无论按传统还是地理位置，里海都被认为是苏联和伊朗的内湖（苏联占里海面积的88.4%，伊朗占里海面积的11.6%）。里海的地位已在1921年和1940年两国签订的条约中作了明确规定。根据该条约，只有悬挂苏联和伊朗国旗的船只才能在里海航行。

自1991年苏联解体后，在里海地区不断发现大规模的油气田。根据西方石油公司估计，这一地区有可能继海湾地区成为21世纪世界能源主要供应地之一。因此新独立的里海沿岸国家哈萨克斯坦、阿塞拜疆和土库曼斯坦都要求重新确定里海法律地位，而里海油气资源的开采权，自然也就和划界问题联系在一起。

俄罗斯、哈萨克斯坦和阿塞拜疆附近的里海水域油气资源丰富，因此这三个国家坚持里海为内陆海，应依据国际海洋法公约，对里海水体及海底进行划界，明确各国的主权和专属经济区范围。而伊朗、土库曼斯坦两国则因为附近水域油气资源相对较少，坚持认为里海是内陆湖泊，按国际法里海资源应当是沿岸各国共同财产，任何国家开采里海任何资源必须征得各国同意或经共同协商后方能进行。因此，里海之争说到底是围绕能源的利益之争。

伊朗迫于压力不得不同意对里海进行划分，但和土库曼斯坦一起要求各国按各占20%的份额平均划分里海。这样便形成了以伊、土为一方要求5国均分里海，和以俄、哈、阿为一方要求按中心线划分里海的局面。

由于美国等西方国家过于依赖中东地区的石油，其能源供应安全存在隐患，因此它们对能源来源多样化的愿望使里海地区成为追逐热点。美国凭借同阿塞拜疆的密切关系，一直竭力介入里海能源开发，主张里海是“海”，这样便可使至少一半已探明的里海油气资源归阿所有，以便自己从中谋利。

在事关地缘政治的油气管线方面，有专家认为，用里海经伊朗到海湾的管线运送石油到西方和亚洲的石油消费国最为便捷，成本最低，但美国不愿把控制权交到伊朗手中。而俄罗斯在中亚油气交易中一直保持主导地位，西方国家也担心自己能源来源多样化受俄牵制。因此，美国牵头在上世纪90年代修建绕过俄罗斯但经济上极不划算的巴库—第比利斯—杰伊汉管线，挤压俄罗斯的利益。

伊朗国内早有对里海重新划界不满的声音。有伊朗议员表示，当年伊朗与苏联各占里海50%，而今伊朗占20%水域的要求都难以得到满足，这让伊朗难以接受。

里海划分是各方利益相互矛盾的复杂问题，一时难以获得解决。因此，里海之争仍会持续下去。

2018年8月12日，俄罗斯总统普京、阿塞拜疆总统阿利耶夫、土库曼斯坦总统库尔班古力·别尔德穆哈梅多夫、哈萨克斯坦总统纳扎尔巴耶夫和伊朗总统哈桑·鲁哈尼签署了里海法律地位公约。

里海周围的俄罗斯、哈萨克斯坦、土库曼斯坦三国主管能源的部长于2007年12月20日在莫斯科举行铺设里海沿岸天然气管道政府间协议签字仪式，俄总统普京、哈总统纳扎尔巴耶夫出席了签字仪式。普京表示，对于俄、哈、土三国和欧洲的能源系统来说，铺设里海沿岸天然气管道是一个非常重要的事件。此间观察家则指出，“沿里海天然气管道”政府间协议最终得以签署，是俄哈土“三赢”的结果，更是俄在同美、欧能源博弈中所赢得的一场关键性战役。代表俄政府签字的联邦工业和能源部长赫里斯坚科说，“沿里海天然气管道”建成并投入运营可提高里海地区能源的外运能力，“按照达成的协议，天然气年出口将增加200亿立方米”。

根据管道建设进度计划，2008年年底将作出全部项目、投资决定。“沿里海天然气管道”途经土境内360公里、哈境内约150公里，然后与哈俄边境现有的“中亚—中央”管道连接。如加上现有天然气管道，2010年年底土俄间年天然气运输能力将达到700亿立方米。此后，随着原有“中亚—中央”天然气管道现代化改造的完成，天然气年运输能力还将进一步增加。能源专家认为，俄、哈、土关于“沿里海天然气管道”协议的签署，是俄“能源外交牌”的典型展示。

长期以里海来，欧洲国家为实现“能源进口多元化”，与美国一道鼓励、支持独联体的中亚国家推行“能源出口多元化”政策。在天然气领域，欧盟、美国加紧对土库曼斯坦这个里海地区重要天然气出口国的外交攻势，提供资金，帮助土勘探修建绕过俄罗斯、跨里海海底的天然气管道路线。而如今“沿里海天然气管道”是否修建的悬念不再，土对欧美“跨里海天然气管道”铺设的兴趣大减。换言之，通过实现俄哈土项目，俄至少暂时消除了欧盟避开俄罗斯、染指中亚天然气的危机局面，从而使自己继续掌控欧洲天然气阀门。与此同时，土、哈等中亚国家也是该项目实施的主要受益者。

土库曼斯坦能源，特别是天然气资源十分丰富，远景储量为22.8万亿立方米，居世界第三位。仅有土俄管道，年运量500亿立方米、土伊年运量100亿立方米，远远无法满足土确定的年出口1000亿立方米天然气的目标。土一直力图在里海能源博弈中为自己争取更大的利益、希望跨里海海底的天然气管道项目早日启动。然而，多年无结果的等待让土明白，欧、美推动的项目不过是一个话柄，加之里海划分难题短时间无法破解，“跨里海天然气管道”建设计划被土束之高阁。而对哈来说，“沿里海天然气管道”经过哈境150公里，不仅可以赚取过境费，而且还能提高自身在里海能源争夺战中不可替代的作用。

2022年8月，俄总统普京签署新版国家海洋学说。里海被定义为“经济圈内海水域”，重点放在油气和海洋资源的系统性开发上。

当地时间2021年7月4日，里海海上发生巨大爆炸。根据卫星社分享的视频画面，当时海上发生大爆炸，火焰和浓烟从水面上升起，火光直冲上天。关于爆炸的原因虽然仍有待确定，但阿塞拜疆生态部称爆炸可能是由火山喷发引起。

2021年9月9日，中国载人航天工程办公室官方发布神舟十二号航天员第二批在轨拍摄的高清图片。

北京时间2023年12月7日12时15分（当地时间12月7日7时15分）在里海发生5.2级地震，震源深度50公里，震中位于北纬41.20度，东经49.80度。

2017年里海创造了世界上最大的湖泊的纪录。里海位于欧洲和亚洲的内陆交界处，面积达371,000平方千米。（吉尼斯世界纪录）