位于欧洲大陆与大不列颠岛之间。西临英格兰和苏格兰，东接挪威、丹麦、德国、荷兰、比利时和法国，并有斯卡格拉克海峡和卡特加特海峡与波罗的海相通。南有多佛尔海峡和英吉利海峡与大西洋相接。北达设得兰群岛以东的北纬61°线。海区最长约1126千米，最宽676千米，总面积约57.5万平方千米。平均水深94米，最大水深725米。

约在250万年前，现在北海海盆南部的多格浅滩，曾是欧洲大陆的一部分。那时，莱茵河与泰晤士河相连接，约于现在伦敦北面460千米处入海。在200万年到6000年前，屡经冰川多次进退。现在的北海轮廓约在3000年前形成。北部海岸崎岖，南部为规则的低平海岸。东部和西部海岸比较复杂，有峭崖陡壁、岛屿林立的峡湾海岸、岩性坚硬的高地海岸、平直的沙质海岸等。 

整个北海都位于西欧大陆架上，大部海区浅于100米，是世界著名的浅海之一。南部水深浅于40米。英格兰北面外海有大冰碛构成的多格浅滩，面积达650平方千米，水深仅17～33米。挪威南岸和比利时北岸之间，为挪威海槽，平行于岸线，宽28～37千米，水深在200～800米间。此外，北海西部还有几个海槽，如500多米深的德弗尔斯海穴，106米深的锡尔弗海穴等，均系冰川最后退出时，大陆河流对海床冲刷侵蚀而成的。海底沉积物厚达10～15千米，大部为砂泥质，还有碎石、砾石和卵石。 

属于温带气候。月平均气温2月为0～5℃，8月为15～17℃，冬季气温有时可降到-23℃。年降水量北部多于南部，分别为1000毫米和600～700毫米。冬季（11月至次年3月）多风暴，尤其在东部海区，气旋频繁发生。荷兰、丹麦、比利时和英国等沿海国家，易受风暴潮袭击。风暴期间，北部风浪高达8～10米，南部也达6～7米，苏格兰东岸最大涌浪可达10.7米。 

近表层海流呈气旋式运动，底层不规则。在设得兰群岛附近流速较强，中部较弱，一般不超过35厘米/秒。潮流较强，开阔海区流速为1～1.5米/秒，多佛尔海峡为2.5米/秒，设得兰群岛附近可达5米/秒。潮汐以半日潮为主。西南部沿岸潮差较大，多佛尔海峡附近的英国东岸潮差可达7米，北部挪威沿岸潮差较小，不到1米。 

表层水温2月最低，8月最高。冬季，西北较高，为7.5℃，东南较低，为2℃。夏季反之，西北为13℃，东南为18℃。底层水温3月最低，约为3～7℃。6月，只在挪威的东南和南方外海出现温跃层，强度为每米0.2℃；7～8月，在北部和中部的广大海区30～40米层出现温跃层，强度最大，为每米0.7℃。由于西部有大西洋水的流入，东部有波罗的海水和径流的流入，盐度分布东低西高，东部为29.0～32.0，西部为34.7～35.3。西部因受大西洋较暖高盐水的影响，很少结冰。东部和南部沿岸，12月至次年3月普遍被冰覆盖。 

北海是世界上初级生产力最高、渔业最发达的海区之一。约有300种植物和1500多种动物。常见的植物有硅藻、甲藻、褐藻、绿藻等。动物有甲壳类（约600种）、蠕虫动物、软体动物（约300种）、刺胞动物及鱼类（约100多种）。主要鱼类有海鲽、鳕、黑线鳕、绿鳕、鲭、鲱、黍鲱、鲨鱼和鳐类。

北海海底蕴藏着丰富的石油和天然气。自1959年在北海发现油气资源以来，在苏格兰、挪威、荷兰、丹麦和联邦德国近海都发现了油田。1969年又在挪威以南发现了埃科菲斯克大油田。至20世纪90年代，在北海共找到400多个油气田，累计找到可采石油储量47亿吨。2004年，北海地区产油2.64亿吨，占全球7.4％；产天然气2,884.9亿立方米，占全球10.8％。剩余石油可采储量20.1亿吨，剩余天然气可采储量4.8万亿立方米。2010年以来，受油田日趋老化以及新油田发现减少的影响，北海石油产量逐年下降。如2014年北海英国海域的油气产量较上年下降1.1%，这一水平较1999年触及的北海油气产量峰值减少了70%左右。