Hồ Baikal nằm trong một thung lũng tách giãn được hình thành bởi Đới tách giãn Baikal, nơi vỏ Trái Đất dần tách ra.[24] Với chiều dài 636 km (395 mi) và chiều rộng 79 km (49 mi) và diện tích 31.722 km2 (12.248 sq mi), hồ Baikal có diện tích bề mặt lớn hơn bất kỳ hồ nước ngọt nào khác tại châu Á và là hồ sâu lớn nhất thế giới với độ sâu 1.642 m (5.387 ft) dưới mực nước biển. Phần đáy của hồ sâu 1.186,5 m (3.893 ft) dưới mực nước biển, song bên dưới đó là 7 km (4,3 mi) trầm tích, vì thể điểm đáy của đứt gãy sâu 8–11 km (5,0–6,8 mi) dưới mặt đất xung quanh: và là đứt gãy trên lục địa sâu nhất trên trái đất.[24] Theo quan điểm địa chất, đứt gãy này vẫn còn trẻ và đang hoạt động, nó mở rộng khoảng 2 cm mỗi năm. Đớt đứt gãy này cũng có hoạt động động đất, ngoài ra cũng có các suối nước nóng trong khu vực quanh hồ. Hồ Baikal được phân thành ba bồn hay bể: Bắc, Trung và Nam, với độ sâu tương ứng là 900 m (3.000 ft), 1.600 m (5.200 ft), và 1.400 m (4.600 ft). Bồn Bắc và Trung tách biệt nhau qua dãy Academician trong khi khu vực quanh đồng bằng Selenga và vùng yên ngựa Buguldeika tách biệt bồn Trung và Nam. Hồ thoát nước qua sông Angara, một chi lưu của sông Enisei. Địa hình đáng chú ý tại hồ Baikal là Mũi Ryty nằm trên bờ tây bắc.

Hồ Baikal ước tính có tuổi đời từ 25-30 triệu năm trước khiến nó trở thành hồ nước lâu đời nhất thế giới.[10][11]Bao quanh hồ nước là những dãy núi. Phía bắc là Dãy núi Baikal, đông bắc là dãy Barguzin, rừng Taiga bao quanh và hồ được bảo vệ bởi rất nhiều các vườn quốc gia, khu bảo tồn thiên nhiên. Trong hồ nước là 27 hòn đảo lớn nhỏ khác nhau, lớn nhất trong số đó là đảo Olkhon dài 72 km (45 mi) là đảo hồ lớn thứ ba thế giới. Hồ nước được nuôi dưỡng bởi 330 con sông lớn nhỏ.[25] Những dòng chính chảy trực tiếp vào Baikal là sông Selenga, Barguzin, Thượng Angara, Turka, Sarma và Snezhnaya. Sông Angara là cửa thoát nước duy nhất của hồ Baikal.

Baikal là một trong những hồ nước trong nhất thế giới. Vào mùa đông, ở những khu vực mở, độ trong của nó có thể thấy được độ sâu từ 30–40 m (100–130 ft) nhưng trong suốt mùa hè, thường là chỉ ở mức từ 5–8 mét (15–25 ft).[26] Hồ Baikal rất giàu Ôxy, ngay cả ở những khu vực nước sâu, tách ra khỏi những khối phân tầng nước rõ rêt như tại Hồ Tanganyika và Biển Đen.[27][28]

Ở hồ Baikal, nhiệt độ nước thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí, độ sâu và thời gian trong năm. Trong mùa đông và mùa xuân, bề mặt đóng băng trong khoảng từ 4-5 tháng, bắt đầu từ tháng 1 cho đến đầu tháng 5-6 (chậm nhất ở phía bắc) khi mặt hồ phủ đầy băng.[29] Trung bình, lớp băng có độ dày từ 0,5–1,4 m (1,6–4,6 ft)[30] nhưng tại một số gò băng nổi có thể lên đến 2 m (6,6 ft).[29] Trong giai đoạn này, nhiệt độ tăng chậm theo độ sâu của hồ, lạnh nhất gần bề mặt băng bao phủ cho đến độ sâu từ 200–250 m (660–820 ft) với nhiệt độ 3,5–3,8 °C (38,3–38,8 °F).[31] Sau khi lớp băng nứt ra, bề mặt hồ được làm ấm dần lên bởi Mặt trời từ tháng 5-6 cho đến độ sâu 300 m (980 ft) nhưng nhiệt độ cũng chỉ dao động quanh 4 °C (39 °F) bởi sự hòa trộn nước. Mặt trời tiếp tục làm nóng bề mặt nước và đạt cực đại vào tháng 8 khi nước trong hồ đạt 16 °C (61 °F) tại khu vực nước mở, 20–24 °C (68–75 °F) tại bãi cạn và phía nam hồ.[26][32] Trong thời gian này, mô hình được đảo ngược so với mùa đông và mùa xuân, khi nhiệt độ nước tỉ lệ nghịch với độ sâu. Khi mùa thu bắt đầu, nhiệt độ bề mặt lại giảm xuống ở quanh ngưỡng 4 °C (39 °F) cho đến dưới 300 m (980 ft) vào tháng 10 tháng 11. Ở những nơi có độ sâu từ 300 mét trở lên, nhiệt độ ổn định từ 3,1–3,4 °C (37,6–38,1 °F).

Nhiệt độ trung bình của bề mặt hồ đã tăng gần 1,5 °C (2,7 °F) trong 50 năm qua khiến thời gian băng bao phủ hồ cũng ngắn lại. Tại một số địa điểm có những miệng phun thủy nhiệt là nơi có dòng nước đạt đến 50 °C (122 °F). Chúng chủ yếu nằm ở vùng nước sâu, nhưng tại hồ Baikal thì một số vùng nước tương đối nông cũng tìm thấy. Chúng rất ít ảnh hưởng đến nhiệt độ của hồ vì khối lượng khổng lồ của hồ Baikal.

Hiện tượng mưa bão trên hồ khá phổ biến, đặc biệt là trong mùa hè và mùa thu, và có thể hình thành những con sóng trong hồ cao đến 4,5 m (15 ft).