1. 海底地形与沉积地质
南海属于深海，大陆架、大陆坡和深海盆地等形态相当齐全。海底地形的基本特点是由岸边向海盆中心呈阶梯状下降，但突出特征是南、北坡度缓，东、西坡度陡。
南海的大陆架在北部和南部均较宽较缓，且以南部为最，属于堆积型；西部和东部属于堆积—侵蚀型，陆架较狭较陡，其中又以东部最甚。吕宋岛以西陆架宽度仅5千米，坡度很大。
南海北部的大陆坡由西北向东南逐级下降，在不同深度台阶上，分布着东沙、西沙和中沙三大群岛。中沙群岛除黄岩岛外，是一个巨大的水下环礁，有一系列断断续续的暗沙和暗礁。南海南部的大陆坡较宽广，有南沙群岛和南沙海槽。南沙群岛是一个海底高原，有星罗棋布的岛屿、沙洲、暗礁和暗沙等自然地形。西部的大陆坡也较宽阔，有明显的阶状平坦面。东部，在吕宋岛以西有北吕宋海槽和马尼拉海沟。
南海的中央海盆，大致位于中沙群岛和南沙群岛的大陆坡之间，主体是东北伸展的深海平原，长约1600千米，宽约530千米。其北部较浅，平均深度约3400米，南部较深，平均深度约4200米。深海平原上矗立着一些孤立的水下海山，是由海底火山喷发而成的火山锥。
南海在北部大陆架上主要是珠江等带来的陆源沉积物，以泥质为主，外陆架沉积物主要为沙质，南部大陆架主要为近代粉沙和粘土。中央海盆沉积物主要是颗粒极细的棕色抱球虫软泥和火山灰，也发现有锰结核和锰结壳。
南海位于欧亚版块、太平洋版块和印度洋—澳大利亚版块交汇处，构造复杂。一般认为，其中央海盆的洋壳，是在渐新世末至中新世初形成的。
2. 气候
南海位于热带，属典型的季风气候区。每年的9月前后，东北季风到达台湾海峡，11月至翌年4月，全海区均由东北季风所控制。4月份于马六甲海峡开始西南季风，至6月可遍及全海区，7、8月为最盛期。
南海的大部分海域，东北季风以11月为最大，多为4至5级，有时也达6至7级，大风区在南海北部、巴士海峡和南沙群岛以西海域。相对而言，西南季风风力一般较小，多在4级以下。但在海南省西部沿岸的莺歌海，全年中以春季风力较大。南海的年平均大风日数比渤海、黄海、东海都少。越南近海为50天，西沙群岛附近40天左右，南沙附近在40天以下。粤东沿岸靠近台湾海峡的区域，大风日数较多，有时可达100天。
台风是南海的主要灾害性天气系统，每年平均有10个左右的台风和强热带风暴在南海海域活动。约有半数台风来自菲律宾以东洋面，其余为南海海区内形成。生成的海域主要在北纬10°以北，且6至9月份居多；10至12月生成区南移至南海中部。台风暴潮是伴随而来的灾害，从汕头到雷州半岛的广东沿海、越南北部以及菲律宾沿岸等是台风暴潮的多发区域。
南海海域气温终年很高，7月份高达28℃，即使在1月份，南海南部仍达26℃，北部通常不低于15℃。南海年降水量为1000～2000毫米，有明显的区域差异。海区北部有干季和雨季之分。干季为11月至翌年3月，降水较少，比蒸发量少600毫米；雨季为5至10月，降水量超过蒸发量800毫米。海区南部其实并无真正的“干季”，因为那里全年各月的降水量均超过蒸发量，尤其10月至翌年1月，可谓名副其实的雨季，降水量比蒸发量多750毫米左右。南沙群岛的年降水量可达2200毫米，年降水日数多达170天。
南海海雾较少，主要出现在北部湾和广东沿岸海域。海口年平均雾日最多，也只有41天，硇洲岛24天，涠洲岛19天，其他海域都在15天以下，莺歌海和西沙群岛几乎全年无雾。
3 水文
3.1 海流
由于南海地区季风盛行，又大部分位于热带，对南海水文特征影响较大。南海季风漂流发达，海流随季风的更替而变更。西南季风期，盛行东北向漂流，东北季风期，西南向漂流发展。
西南季风期间，来自爪哇海和南海南部的海水，经越南外海向东北流动，至台湾岛南部以南，其主流流入黑潮，另一分支经台湾海峡流入东海。在越南沿岸，漂流强化成为夏季南海的强流区。在广东沿岸，珠江口冲淡水随西南季风向东北流动。在吕宋岛西岸，一支来自苏禄海的水流沿岸北上。这样，在海区的西部、北部和中部均呈现东北向漂流。此外，由于季风漂流不断将南海南部的海水向北输送，造成南部失水，海平面下降；北部增水，海平面升高，导致部分沿越南沿岸向东北流去的漂流约在北纬11°处反转向西南倒流，以补充南部的失水，它与西侧的漂流构成一个顺时针的水平环流。
东北季风期间的流况，与西南季风期相反。一部分黑潮水从巴士海峡进入南海，同时，部分东海沿岸水自台湾海峡进入南海，在南海西部形成一支纵贯南北的西南向漂流，该漂流在越南沿岸强化，成为冬季南海的强流区之一。在南海东部有一支来自苏禄海的西北向海流，至海区中部变成西流，加入越南沿岸的主流。在加里曼丹沿岸，有一支弱的西南向沿岸流。但是，冬季当西南向季风漂流充分发展时，一部分海水会在南部大陆架附近处形成堆积，海平面升高。与此同时，南海北部失水，海平面下降。因此西南向漂流的一部分水向东北倒流，形成了漂流的逆流，它与西部的漂流构成一逆时针的水平环流。两个环流的西半环为季风漂流，东半环则为补偿流。与此同时，南海海平面的起伏也有明显的季节变化。
冬季和夏季均有黑潮的分支，经巴士海峡沿台湾以南海域（冬季）或沿吕宋岛西北外海（夏季）向西（冬）或西南（夏）流动，而后沿广东岸外大陆坡外缘的深水区向西南流去。
南海上升流分布很广，一年四季均有出现。尤其是在夏季西南季风期，越南东部的陆架边缘、海南岛东海岸、粤东沿岸等，都是上升流现象显著的海区。冬季，在越南中部沿岸、粤东沿岸和台湾浅滩一带也有上升流出现。
3.2 水温
除了北部沿岸以外，南海表层水温终年很高，分布比较均匀，水平梯度较小。年平均表层水温粤东近海约22.6℃，邦加岛近海达28.6℃，南北相差较大。冬季，由于受来自台湾海峡的沿岸冷水入侵的影响，北部粤东海区最低月平均表层水温曾下降到15℃左右，水平梯度亦较大。其余大部分海区表层水温仍高达24～26.5℃，南部大陆架区可高达27℃以上。陆架浅水区对流混合可及海底，水温垂直分布均匀一致。但在深水区，温跃层仍较强，上均匀层厚度约80至100米。此时南海东北部的有些区域，如陆坡附近，上、下温跃层的走向相反，中间存在着等温线自此向上下发散的层次，可能存在着流速为零处，从而出现上下层流向相反的现象，这是南海北部冬季温度垂直结构的一个重要现象。夏季，全海区表层水温分布几乎均匀一致，水平梯度甚小。海区北部约为28℃，南部约为30℃。只在海南岛东部，粤东以及越南沿岸，存在着几个范围不大的低温区，这是受西南季风引起的上升流的影响。大部分海区海水层化现象显著，并出现厚度较大的温跃层。
海区水温的季节变化较小，年变幅自北向南逐渐变小，粤东海区稍大，年温差约10.8℃，北部湾南部约8℃，西沙附近海区约5.6℃。
3.3 盐度
南海近岸和外海的盐度分布有明显区域性差异。近岸区多处在低盐的沿岸水控制之下，盐度较低，季节变化较大，盐度变幅为2至3。外海深水区的盐度分布为季风环流所左右，盐度较高，水平梯度较小，年变幅小于1。冬季，来自太平洋的高盐水舌，从巴士海峡顺着季风漂流的路径一直伸向海区西南部。同时，在南海中部低盐水舌顺着季风漂流之逆流的方向向东北扩展。夏季西南季风时，南海南部的低盐水舌沿季风漂流的路径向东北扩展，海区北部的高盐水被压向北方，而在加里曼丹北岸，则有高盐水舌向西南部移动。因此，无论是冬季或夏季，高盐水舌和低盐水舌的同时并存、进退和消长，都是环流及其变化所造成的结果。这也导致了外海区盐度发生明显的季节性变化，海区中部年变幅更大。
此外，由于上升流的作用，在越南沿岸，粤东及海南岛东岸，下层高盐水升达海面附近，形成若干局部性的表层高盐区。
3.4 潮汐
南海的潮汐主要是由太平洋经巴士海峡传来的谐振潮。大部分海区潮型以不正规全日潮为主。正规全日潮分布于北部湾、吕宋岛西岸中、北部、加里曼丹的米里沿岸、卡里马塔海峡和泰国湾附近海区。不正规半日潮散见于巴士海峡、广东近岸、越南中部近及南部部分近岸海域、马来半岛东南端、加里曼丹西北近岸等海域。北部湾湾口附近存在着一个全日分潮（K1）的旋转潮波系统。
南海潮差较小。粤西沿岸、北部湾、印支半岛和加里曼丹沿岸潮差较大，达4米以上。粤东近岸次之，约为3米。南海中部、吕宋岛西岸、越南中部沿岸最小，仅2米左右。最大潮差出现在北部湾顶端的北海港，可达7米。半日潮在泰国湾有两个无潮点，北部湾也有相当于波节（无潮点）的同潮时线的密集之处。全日潮在泰国湾和北部湾以南各有一个无潮点。南海潮流较弱，速度小于50厘米/秒，而半日潮流则更弱。只有北部湾和粤西沿岸潮流稍强，流速在100厘米/秒左右。琼州海峡中最大潮流流速可达250厘米/秒。
3.5 海浪
南海冬季盛行偏北浪，夏季盛行偏南浪。9月为过渡季节，10月偏北浪遍及北纬10°以北，11月至翌年4月，全海区盛行偏北浪。5月北纬5°以南偏南浪，以北浪向多变。6月偏南浪盛行。南海风浪较大，年平均波高大部分海区为1.5米左右，北部湾和泰国湾为0.5至1.5米。冬季以东北部和中部最大，平均约为2米。由此向南和东西两岸波浪减小。夏季大浪取决于西南季风和台风活动，有时会出现10米以上的波高。南海海浪平均周期为6至7秒，最大周期可达15秒以上。
4 陆地径流
中国大陆注入南海的主要河流是珠江和韩江，中南半岛注入南海的河流主要有红河、湄公河等。中南半岛河网丰富，越南沿海岸线平均每隔20千米就有一条河流入海。
珠江是中国南方最大河系，与长江、黄河、淮河、海河、松花江和辽河并称中国七大江河。珠江旧称粤江，是中国境内第三长河流，按年流量为中国第二大河流，全长2400千米。珠江原指广州到入海口的一段河道，后来逐渐成为西江、北江、东江和珠江三角洲诸河的总称。其干流西江发源于云南省东北部曲靖市沾益县的马雄山，干流流经云南、贵州、广西、广东四省（自治区）及香港和澳门特别行政区。在广东三水与北江汇合，从珠江三角洲地区的8个入海口流入南海。珠江流域在中国境内面积44.21万平方千米，另有约1.1万平方千米在越南境内。
韩江是广东省第二大江，是潮汕最大的河流。从发源地至东溪出海口，全长470千米，落差920米，流域总面积约3万平方千米。韩江唐代称恶溪，后因当地百姓为纪念韩愈被贬潮州时为当地做出的贡献而得名，改称韩江。北源汀江出福建西南宁化县西南部武夷山，南流至广东省大埔县三河坝汇南源梅江后始称韩江，到潮州以下河道分汊进入韩江三角洲，在澄海县境和汕头市区分别注入南海。韩江是潮（州）汕（头）、兴（始）梅（县）与福建长汀的重要联系水道。
红河是越南最大的一条河流，也是越南北方最大的水系，由于流经红土地带，河水中夹带大量红土呈红色而得名。红河发源于中国云南的大理，上游称为元江，经河口流入越南境内，全长1140千米，在越南境内的下游一段长500千米，流域面积约87000多平方千米。
“湄公”是老挝语的谐音，即”幸福之母”的意思。湄公河亦称湄南河，中国境内称澜沧江。湄公河是东南亚最长的河流，全长4668千米，为世界第十二大河，亚洲第七大河。发源于中国青海省，流经西藏自治区与云南省，此后成为缅甸与老挝之间以及老挝与泰国之间的部分国际边界，流经老挝、柬埔寨与越南，最后在胡志明市（西贡）南面注入南海。湄公河穿过柬埔寨的首都金边之后分支，其中有2支分别进入越南，称之为前江和后江，在临近出海口处又分成9条支流入海，因此在越南也被称为“九龙江”。
