裡海位於亞歐大陸中部，其水位隨著季節變化而變化，夏季水位高，冬季水位低。因為裡海主要靠周圍河流水補給，河水來自大氣降水和冰川融水。

裡海水源地區主要為溫帶大陸性氣候，夏季，降水較多，同時，氣溫較高，周邊高山冰川融水量多，河流水量大，流入裡海的水就多，水位高，反之，冬季水位低。

裡海的水位，7月最高，2月最低，北部水位高低之差為2~3米，中部和南部僅有20~50厘米，最大也不超過1.5米。裡海的水溫，夏季南北水域基本相同，為26℃左右。冬季北部水溫0℃以下。南部的平均溫度為8~10℃，北部淺水區每年冰期2~3個月。裡海的風增減水十分顯著，伏爾加河三角洲海域，有時風減水達4~5米，風增水也可達2米。

裡海位於荒漠和半荒漠環境之中，氣候乾旱，水分蒸發非常強烈。據統計，裡海每年的進水總量為338.2㎞³，而每年的耗水量則為361.3㎞³，進得少，出得多，出現了入不敷出的"赤字"，湖水水麵必然會逐步下降。1930年湖的面積為42.2萬平方公里，到1970年已經縮小到37.1萬平方公里了。

水位的長週期和超長週期的顯著變化是裡海最引人矚目的現象。裡海研究較吸引人的方面為依據考古、地理和歷史方面的證據再現許多世紀中的長期水位變動。研究證實，裡海水位變動幅度似乎從西元前1世紀以來至少達到7米。這些長期變動的主要原因是決定水的補給(河流注入與降水)和損失(蒸發與流往卡拉博加茲戈爾灣)之間平衡的氣候條件。7~11世紀間,出現較低水位。裡海19世紀初期的水位要比4000~6000年前的水位低22米。1930~1957年間，由於伏爾加河上建水庫，工農業過量用水，氣候乾燥等影響，致使水位又下降。自20世紀70年代初以來,裡海水位保持在-28.5米左右。在90年代初，裡海海面低於海平面27米。水位季節變化大，春夏高而冬季低，年變幅可達33厘米。

水位下降是由於氣候變化減少河流注入而增加了蒸發--窩瓦河上建設水庫加重了這一情況--也由於灌溉和工業對河水的消耗。水位上升則與導致窩瓦河注入量增加的氣候因素有關，該河若干年來的注入量一直大大高於平均值。海面降水增加和蒸發減少也促成這一現象。