渤海西部的淺水海灣，京津的海上門戶，華北海運樞紐。三面環陸，與河北、天津、山東的陸岸相鄰，東以灤河口至黃河口的連線為界與渤海相通。面積1.59萬平方公裡，約占渤海1/5。此外，渤海灣灣口亦有從大清河口至黃河口的劃法。海底地勢由岸向灣中緩慢加深，平均水深12.5米。
地質與地貌 渤海灣正處在中生代古老地臺活化地區，位於翼中、黃驊、濟陽三拗陷邊緣，經歷瞭各個地質時期的構造運動和和地貌演變，形成湖盆，並在其上覆有1～7公裡巨厚松散沉積層。沿岸幾乎全為第三紀沉積物，形成典型的粉砂淤泥質海岸。又因幾經海水進退作用，使海灣西岸遺存有沿岸泥炭層和3條貝殼堤（見天津貝殼堤）。海底沉積物均來自河流挾帶的大量泥砂，經水動力的分選作用，呈不規則的帶狀和斑塊狀分佈。一般來說，沿岸粒度較粗，多粉砂和粘土粉砂，東北部沿岸多砂質粉砂；海灣中部粒度較細，多粘土軟泥和粉砂質軟泥。
水文與氣候 沿岸河流含沙量大，灘塗廣闊，淤積嚴重。流入海灣的主要河流有黃河、海河、薊運河和灤河。①黃河以水少沙多著稱。年均徑流量440億立方米(鄭州附近花園口水文站)，多年平均輸沙量16億噸，約占渤海輸沙量的90％以上，是渤海灣現代沉積物主要來源。②海河水系年均徑流量為211.6億立方米，年均輸沙量600萬噸。1958年海河建閘後，徑流量銳減，年均徑流量僅7.1億立方米，年輸沙量不足30萬噸，對渤海灣地貌發育的影響已大為減小。③薊運河為蓄泄河道，1922～1957年年均徑流量7.4億立方米，年均輸沙量70～100萬噸。1958年建閘後，年徑流量和年輸沙量分別為0.66億立方米和1.56萬噸。④灤河年均徑流量47.9億立方米，年輸沙量2210萬噸。由上可見，黃河大量泥沙的入海和擴散，是渤海灣泥沙主要來源。灤河入海泥沙的向西南運移，雖為數不多，但仍不容忽視，使渤海灣水下不斷淤淺，灘面擴增。如北堡一澗河的灘面，1958～1984年年均向海延伸1.5公裡，沉積厚度年均增11.5厘米。為其他海區所罕見。
大陸性季風氣候顯著，水文狀況變化復雜。由於渤海灣為三面環陸的半封閉性海灣，位於中緯度季風區，離蒙古高原較近，因此，氣候有顯著“大陸性”特征：一是季風顯著；二是冬寒夏熱，四季分明，春秋短促，氣溫年變差大；三是雨季很短，集中在夏季，7、8兩月降水量占全年的64～68％，春季少雨，降水量的年際變化也很大。
水溫、鹽度分佈特征是：空間分佈較均勻，時間變化顯著。水溫冬季沿岸低於灣中，以1月最低，略低於0℃；夏季沿岸高於灣中，8月最高，約為28℃，水溫年變差在28℃以上。冬季常結冰，冰期始於12月，終於翌年3月。冰量為5～8級（以冰蓋面占總海面的十分比為級）。歷史上曾出現兩次（1936和1969年）嚴重大冰封、灣內冰丘迤邐，全被封凍，冰厚50～70厘米，最厚達1米。鹽度分佈趨勢是灣中高於近岸，分別為29～31‰和23～29‰。但緊鄰岸灘一帶，受沿岸鹽田排鹵的影響，鹽度高達33‰。鹽度的年變差為8‰。
渤海灣的潮汐屬正規和不正規半日潮，平均潮差為2～3米，大潮潮差為4米左右。落潮的延時大於漲潮的延時，分別為7和5小時。海浪以風浪為主，平均波高約為0.6米，最大波高可達4.0～5.0米。
渤海灣有豐富的油氣資源。由於渤海灣為陸上黃驊含油拗陷的自然延伸地帶，生油凹陷面積大，第三系沉積厚，含油前景很大，為中國油氣資源較豐富的海域之一（見大港區）。地下熱水、煤成氣藏資源也豐富。渤海灣灘塗廣闊，潮間帶寬達3～7.3公裡，淤泥灘蓄水條件好，利於鹽業開發。長蘆鹽區是中國最大鹽場，鹽產量占全國的1/3弱。另外，渤海灣，尤其在河口附近，浮遊生物和底棲生物多，為魚蝦洄遊、索餌、產卵的良好場所，出產多種魚、蝦、蟹、貝。