Длина — 650 км, ширина на входе — 130 км, наибольшая ширина — 300 км, глубины до 350 м.
В северной части полуостровом Тайгонос разделяется на Гижигинскую губу и Пенжинскую губу. В залив впадают реки Гижига, Пенжина, Яма, Малкачан.
Покрыт льдом с декабря по май. Приливы неправильные, полусуточные. В Пенжинской губе достигают максимального для Тихого океана значения.
Залив богат рыбными ресурсами. Объектами рыболовства являются Сельдь, Палтус, Камбала, Навага.
В южной части залива Шелихова находится небольшой архипелаг Ямские острова.
