Với diện tích khoảng 126.250 km², vịnh Bắc Bộ là nhánh tây bắc của Biển Đông và là một phần của Thái Bình Dương. Vịnh có hai cửa biển: eo biển Quỳnh Châu rộng 35,2 km giữa bán đảo Lôi Châu và Đảo Hải Nam thuộc Trung Quốc và cửa chính của vịnh được xác định là đường thẳng từ đảo Cồn Cỏ, tỉnh Quảng Trị, Việt Nam và mũi Oanh Ca, Hải Nam, Trung Quốc, rộng 110 hải lý (khoảng 200 km). Trong phạm vị đó, Việt Nam có 763 km bờ vịnh, Trung Quốc có 695 km.

Vịnh Bắc Bộ tương đối nông (chiều sâu chưa tới 60m). Sông Hồng là con sông chính chảy vào vịnh này. Thành phố Hải Phòng và Vinh (tỉnh Nghệ An) thuộc Việt Nam và Bắc Hải (tỉnh Quảng Tây) thuộc Trung Quốc là những hải cảng chính trong vịnh. Đảo Hải Nam của Trung Quốc là bờ phía đông Vịnh. Các đảo nhỏ khác trong vịnh gồm đảo Bạch Long Vĩ, Cát Bà, của Việt Nam và Vị Châu, Tà Dương của Trung Quốc.