Каспий теңізі көптеген ауа рай зоналарын қиып өтеді: солтүстігінде – континенталды, батысында – бір қалыпты жылы, оңтүстік-батысында – ылғалды субтропикалық, шығысында – құрғақ. Солтүстік ауа температурасының қауырт өзгеруімен және атмосфералық жауын-шашынның аздығымен өзгешеленеді. Қазан айынан бастап сәуір айына дейін солтүстік пен орталықта жел шығыс жақтан соғады, мамыр айынан қыркүйек айына дейін муссонды жел солтүстік батыстан оңтүстікке қарай соғады, орталық шығыста, солтүстік батыста және солтүстікте желдің жылдамдығы 24 м/с-тан асып кетеді. Шілде және тамыз айларындағы орташа температура +24+26’C, ал максималды температура шығысында +44’C-ке дейін жетеді. Қыс айларында температура солтүстіктен батысқа қарай –10’C –12’C болып өзгереді. Шамамен 200 мм атмосфералық жайын-шашын теңізге түседі. Судың орташа булануы жылына 1000 мм. Жазғы уақытта су бетінің орташа температурасы - +24+26’C, оңтүстікте - +29’C. Қыс кезінде судың орташа температурасы - –0,5’C, орталықта - –3’C-тан –7’C-қа дейін, оңтүстікте - –8-10’C. Солтүстікте су беті қараша айынан бастап наурыз айына дейін қатып тұрады, мұздың қалыңдығы – 2 м. Судың орташа тұщылығы - 12,7-12,8%, шығыс жағалауда - 13,2%, Еділ мен Жайық өзендерінің құяр аясында 0,1-0,2%. Теңіз деңгейі кей уақытта 2-2,5 м-ге дейін көтеріліп, 2 м-ге дейін түседі. Маусым кезіндегі жалпы ауытқу – 30 см. Ең төмен су деңгейі VII-XI ғасырларда болғаны белгілі (қазіргі кезден 2-4 м-ге төмен). Су деңгейінің соңғы төмендеуі 1929 және 1057 жылдар аралығында болды. Су деңгейі құрғақ ауа рай, өзен жағасында ірі гидротехникалық және суғару құрылғыларын салу нәтижесінде төмендейді. Каспий теңізіндегі флора мен фауна, салыстырмалы түрде, өте аз. 500-ден астам өсімдіктер, балықтар мен жануарлардың 854 түрі және су құстарының кейбір түрлері бар. Каспий теңізінің маңайында Атырау, Ақтау, Ералиев, Аққыстау,Тущыкудык,Жанбай,Балықшы, Ганюшкино және т.б. сияқты ел көп қоныстанған мекендер бар