Cho đến tận mùa đông năm 1978–1979, biển Chết bao gồm hai lớp nước phân tầng có nhiệt độ, tỷ trọng, niên đại và độ mặn phân biệt. Khoảng 35 m trên cùng (hoặc cao độ khác tương tự) của biển Chết có độ mặn nằm trong khoảng 30-40% và nhiệt độ nằm trong khoảng 19 °C (66 °F) và 37 °C (98 °F). Phía dưới lớp chuyển tiếp thì nước biển Chết có nhiệt độ ổn định khoảng 22 °C (72 °F) và bão hòa clorua natri (NaCl). Do nước ở gần đáy là bão hòa nên muối lắng đọng ra khỏi dung dịch vào lớp đáy biển.

Bắt đầu từ những năm thập niên 1960 nước chảy vào biển Chết từ sông Jordan đã giảm đi do kết quả của việc thủy lợi hóa lớn và do có ít mưa nói chung. Vào năm 1975 thì lớp nước trên cùng của biển Chết trên thực tế còn mặn hơn so với lớp thấp hơn. Tuy nhiên lớp nước trên cùng vẫn lơ lửng phía trên lớp dưới do nước của nó ấm hơn và vì thế nhẹ hơn. Khi lớp nước trên bị lạnh đi đến mức tỷ trọng của nó lớn hơn so với lớp dưới thì nước của biển Chết, sau nhiều thế kỷ, cuối cùng đã trộn lẫn và hồ nước này là một khối nước đồng nhất. Kể từ đó, sự phân tầng bắt đầu được quy hoạch lại.

Hàm lượng khoáng chất trong nước của biển Chết là khác đáng kể so với nước của các đại dương, nó chứa khoảng 53% clorua magiê (MgCl2), 37% clorua kali (KCl) và 8% clorua natri (NaCl, muối ăn) với phần còn lại (khoảng 2%) là dấu vết của các nguyên tố khác.

Nồng độ các ion SO4 là rất thấp, và nồng độ các ion brôm là cao nhất so với các nguồn nước khác trên Trái Đất. Các ion clorua trung hòa phần lớn các ion canxi trong biển Chết và xung quanh nó. Trong khi tại các khu vực biển khác và trong đại dương thì NaCl chiếm khoảng 97% thành phần khoáng chất, còn tại biển Chết thì lượng NaCl chỉ chiếm khoảng 12–18%. Nhiệt độ nước tăng từ 19 °C (tháng Hai) tới 31 °C (tháng Tám).

Nước biển Chết chứa khoảng 21 khoáng chất, bao gồm magiê, canxi, brôm và kali. 12 trong số các khoáng chất này không tìm thấy trong các biển/đại dương khác, và một số trong chúng được ghi nhận là có ảnh hưởng tới cảm giác thư giãn, bổ dưỡng da, trị các vấn đề về da (như: chàm, vảy nến, hắc hào, ghẻ lỡ, và mụn), hoạt động của hệ tuần hoàn và làm giảm nhẹ bệnh thấp khớp cũng như các rối loạn trao đổi chất. So sánh thành phần hóa học của biển Chết với các hồ/đại dương khác chỉ ra rằng nồng độ muối của biển Chết là 31,5% (có dao động). Do độ cao bất thường về độ mặn của nó nên người ta có thể nổi trong biển Chết khá dễ dàng nhờ tác dụng của sức nổi. Trong ngữ cảnh này thì biển Chết là tương tự như Hồ Muối Lớn (Great Salt Lake) ở Utah, Hoa Kỳ.Nước biển Chết gây ra cảm giác trơn nhờn. Nước này tạo ra cảm giác cay và có thể gây ra thương tích khi lọt vào mắt.

Một trong các thuộc tính bất thường của biển Chết là sự tiết ra nhựa đường. Từ các độ sâu, biển Chết liên tục phun ra các cục nhỏ chất màu đen này. Sau các trận động đất, các tảng nhựa đường to như các ngôi nhà có thể được tạo ra.

Khu vực biển Chết đã trở thành một trung tâm nghiên cứu sức khỏe và điều trị lớn vì một số lý do. Hàm lượng khoáng chất của nước, tỷ lệ rất thấp của các loại phấn hoa và các chất gây dị ứng khác trong không khí, tỷ lệ bức xạ tia cực tím thấp trong ánh nắng Mặt Trời và áp suất khí quyển cao ở độ sâu lớn này có các tác động đặc biệt tới sức khỏe. Ví dụ những người bị suy giảm các chức năng thuộc hệ hô hấp do các loại bệnh như xơ hóa u nang dường như thu được lợi ích nhờ áp suất khí quyển cao.