咸海的水深变化较大，大部分区域的水深在20至25米之间，而最大水深可达69米。它的含盐量虽然高于普通海水，但远低于死海。近年来的研究揭示，咸海并非单一的水层结构，而是一个两层海。在地表以下300至500米深处，存在着另一层水体，这层水与白垩沉积物混合，含有一定量的矿物质和盐分。每年，地下海会向地表海输送4至5亿立方米的淡水，确保地面海不干涸。值得注意的是，咸海的地下海与天山山脉的地下暗河相连，这些暗河为地下海提供了源源不断的水源。然而，由于苏联时期对阿姆河和锡尔河的改道，用于灌溉棉花田，导致咸海的生态环境迅速恶化。水域面积大幅缩减，盐碱地和沙漠化现象加剧，渔业资源也面临枯竭的危机。