Балхаш лежит в наиболее глубокой части обширной Балхаш-Алакольской котловины, которая образовалась в результате пологого прогиба Туранской плиты в неоген-четвертичное время и впоследствии заполнилась песчаными речными отложениями. Котловина входит в систему разломов Джунгарского Алатау, в которых также расположены озёра Сасыкколь, Алаколь и озеро Эби-Нур (за Джунгарскими воротами). Эти озёра являются остатками древнего Ханхайского моря, некогда занимавшего всю Балхаш-Алакольскую впадину, но не соединявшегося с Арало-Каспийским бассейном.
Площадь озера Балхаш составляет примерно 16,4 тыс. км² (2000 год), являясь самым крупным озером Казахстана. Балхаш лежит на высоте примерно 340 м над уровнем моря, имеет форму полумесяца. Его длина составляет примерно 600 км, ширина изменяется от 9-19 км в восточной части до 74 км в западной. Полуостров Сарыесик, расположенный примерно посередине озера, гидрографически делит его на две сильно отличающиеся части. Западная часть (58 % общей площади озера и 46 % его объёма) относительно мелководная и почти пресная, а восточная имеет бо́льшую глубину и солёную воду. Через формируемый полуостровом пролив Узынарал (казахск. Ұзынарал - «длинный остров») шириной 3,5 км вода из западной части пополняет восточную. Глубина пролива составляет около 6 м.
Цифрами обозначены крупнейшие полуострова, острова и заливы:
. Полуостров Сарыесик, разделяющий озеро на две части, и пролив Узынарал, 2. Полуостров Байгабыл, 3. Полуостров Балай, 4. Полуостров Шаукар, 5. Полуостров Кентубек, 6. Острова Басарал и Ортаарал,7. Остров Тасарал, 8. Залив Шемпек, 9. Залив Сарышаган.
Котловина озера состоит из нескольких маленьких впадин. В западной части Балхаша имеются две впадины глубиной до 7-11 м - одна из них протянулась с западного побережья от острова Тасарал до мыса Коржынтубек, вторая тянется на юге от залива Бертыс, который является самым глубоким местом западного Балхаша. Глубина впадины восточного Балхаша достигает 16 м, наибольшая глубина всей восточной части - 27 м. Средняя глубина всего озера составляет 5,8 м, общий объём воды - около 112 км³.
Узким мелководным проливом Узун-Арал (узкое место) Балхаш делится на обособленные две части: западную - более обширную, но мелководную, но глубокую (до 11 м), и восточную - меньшую по размерам, но более глубокую. Глубина оз. Балхаш в проливе Узун-Арал не превышает 2,5 м при ширине пролива около 5 км.
Озеро относится к числу бессточных водоемов; приход складывается из притоков рек, среди которых основное значение имеет Или (80% площади водосбора озера), стока поверхностных вод с прибрежной полосы, грунтового питания и сравнительно небольшого количества атмосферных осадков, выпадающих на поверхности озера. Вся поступающая в озеро вода расходуется на испарение.
Западные и северные берега Балхаш - высокие (20-30 м) и скалистые сложены палеозойским породам (порфиры, туфы, граниты, сланцы, известняки) и имеют следы древних террас. Южные берега от залива Карашаган до дельты реки Или низкие (1-2 м) и песчаные, периодически затапливаются в высокую воду (из-за чего испещрены многочисленными мелкими озерами), местами встречаются прибрежные холмы высотой 5-10 м. Береговая линия очень извилиста и расчленена многочисленными заливами и бухтами. Крупные заливы западной части: Сарышаган, Кашкантениз, Каракамыс, Шемпек (южная конечность озера ), Балакашкан и Ахметсу. В восточной части выделяют заливы Гузколь, Балыктыколь, Кукун и Карашиган, там же расположены полуострова Байгабыл, Балай, Шаукар и Кентбек и Коржинтобе.
Больших островов на озере мало, Басарал и Тасарал (наиболее крупные), а также Ортаарал, Аякарал, и Олжабекарал расположены в заподной части озера. В восточной части находится остров Озынарал,
Ултаракты и Коржин, а также остров Алгазы. Всего на озере насчитывалось 43 острова общей площадью 66 км2, однако со снижением уровня воды образуются новые острова, и площадь уже существующих увеличивается.
На карте Балхаш-Алакольского бассейна точками отмечены города с населением более 100 тыс. человек.
Водный баланс Балхаш, по данным Г.Р. Юнусова, может быть представлен в следующем виде.
Объём стока в бассейн озера в 2000 году составил 22,51 км³, из них:
приток поверхностных вод - 18,51 км³, подземных - 0,9 км³, через осадки и лёд - 3,1 км³. Расходы за год составили 24,58 км³: на испарение - 16,13 км³, в дельте реки Или - 4,22 км³, ледообразование - 0,749 км³, жилищно-коммунальное хозяйство - 243,97 млн. м³, промышленность - 219,14 млн. м³, сельское хозяйство - 3238,67 млн. м³, рыбное хозяйство - 26,9 млн. м³.
