อ่าวไทยมีพื้นที่ 300,858.76 ตารางกิโลเมตร[2] เขตแดนของอ่าวไทยกำหนดด้วยเส้นที่ลากจากแหลมกาเมาหรือแหลมญวนทางตอนใต้ของเวียดนาม ไปยังเมืองโกตาบารูในชายฝั่งมาเลเซีย ซึ่งอยู่ห่างกัน 381 กิโลเมตร โดยจุดเหนือสุดของอ่าวไทย ตรงปากแม่น้ำเจ้าพระยา นิยมเรียกกันว่า "อ่าวประวัติศาสตร์รูปตัว ก" ซึ่งต่างชาติเรียก "อ่าวกรุงเทพฯ"

ชายฝั่งทะเลอ่าวไทยทอดยาว 1,840 กิโลเมตร มีความลึกเฉลี่ย 58 เมตร (190 ฟุต)[3] จุดที่ลึกที่สุด 85 เมตร (279 ฟุต)[3] จึงทำให้การแลกเปลี่ยนระหว่างน้ำจืดกับน้ำเค็มเป็นไปอย่างเชื่องช้า น้ำจืดจำนวนมากที่ไหลมาจากแม่น้ำต่าง ๆ ทำให้น้ำทะเลในอ่าวไทยมีระดับความเค็มต่ำประมาณร้อยละ 3.05-3.25 และมีตะกอนสูง แต่บริเวณที่ลึกกว่า 50 เมตร มีความเค็มสูงกว่านี้ประมาณร้อยละ 3.4% ซึ่งเกิดจากน้ำทะเลที่ไหลเข้ามาจากทะเลจีนใต้