אורכו 1,200 קילומטרים ממזרח למערב, רוחבו המרבי 610 קילומטרים, ושטחו 436,400 קמ"ר (לא כולל ים אזוב). עומקו המרבי 2,206 מטרים. אל הים מתנקזים חלק גדול מנהרות מזרח אירופה, לרבות הדנייפר, הדניסטר, הבוג הדרומי והדנובה. הוא מקבל מים גם מנהרות חלקה המזרח אירופאי של רוסיה כמו נהר הדון אשר זורם אל ים אזוב וגם מהקווקז המערבי כמו נהר הקובן אשר זורם גם הוא לים אזוב, כמו כן מגיעים אליו עוד כמה נהרות קטנים. לכן מליחות הים השחור נמוכה משמעותית ממליחות הים התיכון, והוא אגן דילול.

בעת העתיקה כונה הים ביוונית בשם "Εὔξεινος Πόντος" (אפקסינוס פונטוס), היינו "הים הידידותי", כנראה לשון נקייה לעובדת היותם של חופיו מאוכלסים בשבטים עוינים ליוונים בטרם תהליך הקולוניזציה. הרומים כינו אותו Pontos Axeinos (הים האואקסיני).