לים המלח שני אגנים: האגן הצפוני ובו נמצא הים והאגן הדרומי שבו נמצאות בריכות האידוי של מפעלי ים המלח בישראל וחברת האשלג הערבית בירדן. עד 1976 היו שני האגנים מחוברים כגוף מים אחד באזור הנקרא לשון ים המלח. באגן הצפוני יש גוף מים עמוק (בעומק ממוצע של 200 מטרים; קרקעית הים באגן הצפוני היא שטוחה ברום 730 מטרים מתחת לפני הים) ובאגן הדרומי היה גוף מים רדוד (בעומק ממוצע של 9 מטרים; ברום 401 מטרים מתחת לפני הים) שהתייבש. עם ירידת מפלס הים נחשפה קרקעית הים באגן הדרומי ונבנו בו בריכות המפעלים. הלשון הוא אזור הנמצא בין שני האגנים והיה בעבר חצי אי בים. קצהו הצפוני נקרא כף קוסטיגן על שם החוקר האירי כריסטופר קוסטיגן אשר חקר את הימה בשנת 1835 וקצהו הדרומי-מערבי כף מולינה על שם קצין ימייה בריטי, תומאס הווארד מולינה, שחקר את האזור בשנת 1847.
ים המלח מוגדר "אגם טרמינלי". למים המתנקזים אליו אין מוצא טבעי פרט להתאיידות. מפלס הים הוא תוצאה של מאזן בין כמות המים הנכנסת אליו וכמות המים המתאדה והנשאבת נטו ממנו. באמצע המאה הקודמת החל תהליך מואץ של הטיית מקורות המים מאגן ההיקוות של ים המלח. בנהרות היורדים לים הוקמו מפעלי מים גדולים לטובת צריכת המים בישראל, ירדן וסוריה. מפעלי המים של המדינות באגן ההיקוות לקחו למעלה ממיליארד ורבע מטרים מעוקבים של מים שזרמו לים המלח. נהר הירדן, למשל, מזרים 40–100 מיליוני מטרים מעוקבים בשנה וסך כניסות המים לים (ללא התמלחת של המפעלים הכימיים) מגיעות ל-350–400 מיליוני מטרים מעוקבים בשנה. פעולות המדינות השותפות באגן לעצירת כניסת המים לים, המשך ההתאיידות הגדולה ממנו ושאיבת המים לאיוד בבריכות המפעלים (בניכוי החזרת תמלחת), גרמו לירידה מואצת של מפלס הים. מאז שנות ה-60 של המאה ה-20, ירד מפלס הים ב-35 מטר ושטח הים הצטמצם בשליש והגיע ל-605 קילומטרים רבועים. נכון לתחילת 2013 מפלס המים הוא כ-430 מטרים מתחת לפני הים, אך הוא משתנה כל העת.
כיכרות ים המלח.
האזורים הנמצאים בשתי קצוותיו של ים המלח נקראים בשם: כיכרות משום ששטחם נראה כמו מישור בצורת חצי עיגול מוקף הרים. הקצה הצפוני נקרא בשם: "כיכר הירדן" ואילו קצהו הדרומי נקרא בשם: "כיכר סדום".
מליחות.
מי ים המלח מלוחים מאוד. בשנת 2002 היה שיעור מליחותם 34.2% (342 גרמים לליטר). האגם הוא גוף המים הרביעי במליחותו בעולם, אחרי אגם ונדה באנטארקטיקה (35%), לגונת גאראבוגאזקול בטורקמניסטן (35%) ואגם עסל בג'יבוטי (34.8%). בנוסף להם קיים גם גוף מים קטן מאוד, אגם דון חואן, בעל שיעור מליחות גבוה יותר (44%). היסודות השכיחים במי הים לפי סדר שכיחותם הם כלור, מגנזיום, נתרן, סידן, אשלגן וברום. שיעור המליחות בים עלה במשך תקופת ירידת המפלס. השיעור בשנים 1959-1960 היה 32%. ישנם הבדלים בין ריכוזי המלחים בשכבות המים השונות. במים עמוקים יותר הצפיפות והמליחות גבוהים יותר. עד השנים 1978-1979 הייתה יציבות במשך מאות בשנים במבנה שכבות המים. החל בשנה זו יש היפוך (ערבוב) שנתי של מי הים. ההיפוך במי הים נובע כנראה מהיעלמות השכבה העליונה המדוללת של מי ים כתוצאה מירידת כניסות המים לאגם. כתוצאה מעליית הצפיפות והמליחות חלה עלייה בשקיעה של מלחים בים. לפי אומדן יש שקיעה של 10 סנטימטרים מלח לקרקעית הים כל שנה. כמויות המלחים הגבוהות במי הים גורמות לתופעת הציפה על פני הים. הריכוז הגבוה של מלחי האשלג, הברום והמגנזיום במי הים, ביחד עם שעורי האידוי הגבוהים באזור, מסייעים לתהליכי הייצור של תרכובות אשלג וברום ומתכת המגנזיום במפעלים הכימיים בדרום האגן. הרכב המלחים בים ורמת קרינת השמש באגן מסייעים בתהליכים רפואיים ומהווים בסיס לתיירות המרפא שהתפתחה סביב הים.
אקלים.
באגן ים המלח שורר אקלים מיוחד המתבטא בטמפרטורות גבוהות, היעדר משקעים, שיעור התאיידות גבוה, לחות גבוהה, לחץ ברומטרי גבוה וקרינה נמוכה מסוגים מיוחדים. התנאים המיוחדים באגן נוצרו כתוצאה ממיקומו הגאוגרפי, היות קרקעיתו נמוכה מאוד מתחת לפני הים ומיקומו בעמק הנמצא בצל הגשם (בצל הרי יהודה). כיוון הגעת המשקעים בעונות הגשומות באזור הוא ממערב. האקלים באגן הושפע בעשרות השנים האחרונות מירידת המפלס של ים המלח והצטמצמות שטח פניו. ירידת המפלס גרמה לירידה בולטת בשיעור הלחות באוויר ובעלייה בקצב ההתאיידות מפני הים ומבריכות האידוי בדרום האגן. האקלים באגן גורם לקצב התיישבות איטי של בני אדם ביישובים שמסביב לים, למרות התפתחות כלכלית מואצת, ולהעדפת העובדים לגור בגב ההר משני צדדי האגן. האקלים תורם להתפתחות הענפים הכלכליים המרכזיים של האגן - התעשייה והתיירות. קצב האידוי המהיר והיעדר משקעים מסייעים לתהליך הייצור של כימיקלים במפעלים הכימיים בדרום האגן. הרום הנמוך של הים, הלחץ הברומטרי הגבוה ושיעור הקרינה הנמוך של אור באורכים מיוחדים שנובע מכך, יש לו השפעות רפואיות וגורם לעידוד תיירות רפואית ביחד עם התכונות המיוחדות של מי הים. האקלים המיוחד באגן גורם גם להיווצרות תנאי אקלים טרופי למחצה ונוכחות של צמחים ובעלי חיים הנמצאים בדרך כלל באזורים דרומיים יותר.
היווצרות ים המלח.
בתחילה היה במקומה של בקעת הירדן עמק רחב ושטוח, שנוצר לאחר התרוממות הרי ארץ ישראל. העמק היה גבוה ממפלס הים התיכון והיה מלא מים מתוקים. היווצרות בקע ים המלח קשורה לפעילות טקטונית שמתבטאת בתנועה של הלוחות של אפריקה וערב. הבקע נמצא באזור הגבול בין הלוחות והוא אזור-שבירה גאולוגי. החל מתקופת המיוקן העליון (לפני כ-17 מיליון שנה) בה התרחשה תנועת הלוחות, הלוח הערבי הנמצא בצדו המזרחי של הבקע נע צפונה 105 קילומטרים ביחס ללוח האפריקני (והלוח הלבנטיני הצמוד אליו הכולל את סיני, ארץ ישראל ולבנון). בין הלוחות שקעה קרקעית הבקע שהתמלאה עם הזמן בסלעי משקע. הבקע מאופיין בקיום "בורות" (בקעים קטנים יחסית דמויי מעוין) שנמצאים במקומות מסוימים לאורכו. העמוק ביניהם הוא ים המלח. שורה של העתקים תוחמים את שולי הבקע ויוצרים את מצוק ההעתקים היורד אל הבקע בסדרת שברי מדרגות. סך ההעתקה האנכית הכוללת של אגן ים המלח היא בסדר גודל של קילומטרים. על פי הערכת חוקרים עומק אגן ים המלח מגיע ל-6–8 קילומטרים בצפון הים ו-12 קילומטרים בדרומו. קטעים מסוימים בקרקעית הבקע, בים המלח ובים כנרת, עדיין בתהליך תנועה. כתוצאה מכך יש בבקע פעילות טקטונית מתמשכת ותופעות של רעידות אדמה המרוכזות באגן הצפוני של ים המלח.
לאחר היווצרות הבקע בתקופת המיוקן העליון, הייתה נוכחות של מי ים בבקע (כתוצאה מחיבורו לים התיכון דרך עמק יזרעאל, והיווצרות לגונה הנקראת על ידי החוקרים בשם לגונת סדום) שנמשכה עד תקופת הפליוקן (1.8-5 מיליון שנים). בתקופה זו הושקעו המלחים המרכיבים את הר סדום. בפליסטוקן המוקדם לפני כ-3–3.5 מיליון שנים נותק הבקע מהים. גוף המים הראשון שהתקיים לאחר ניתוק לגונת סדום מהים מכונה "אגם עמורה" והתקיים כנראה עד תחילת תקופת הקרח האחרונה לפני כ-70,000 שנים. רוב רובה של תצורת עמורה שהורבדה מאגם עמורה קבור בתת–הקרקע, ורק חלקה העליון ביותר מבצבץ אל פני השטח במקומות מסוימים לאורך הבקע. בימה שנוצרה החלו לשקוע משקעים אגמיים (נקראים תצורות עמורה, חלק מחבורת ים המלח). במשך הזמן השתנו המשקעים בגלל גורמים אקלימיים ועונתיים והחלו להופיע משקעי תצורת הלשון האגמיים הנקראים חוואר הלשון.
ים המלח עצמו הוא שריד קטן לימה הגדולה - ימת הלשון, שהשתרעה מחצבה בערבה עד לים כנרת. תחילתה לפני 70,000 שנה. הימה הייתה דומה בתמלחות שלה לתמלחות ים המלח היום. ימת הלשון הגיע לשיאה (כ-170 מטר מתחת לפני הים, או כ-260 מטר מעל מפלס ים המלח) לפני 25,000 שנה. היא הצטמקה סופית לפני 15,000–17,000 שנה כתוצאה משינויים קיצוניים באקלים. עקבות הצטמצמות הימה ניכרות היטב בסימני החופים הקדמונים במדרגות ההרים היורדים אל האגן, המעידים על המפלסים השונים של פני ימת הלשון בתקופות השונות. ההרכב הכימי של התמלחת בים המלח הוא תוצאה של התאדות מי הימה, השקעת גבס ומלח וריאקציה עם סלעי הסביבה ליצירת דולומיט והמסת הליט (מלח בישול) במשך תקופת קיום הים בצורתו הנוכחית.
שינויי מפלס ים המלח וצורתו לאורך ההיסטוריה.
מפלס המים בים המלח נמדד ברציפות החל משנת 1930, אז עמד על 390 מטרים מתחת לפני הים. שחזור המפלס לאורך ההיסטוריה מראה כי הוא עבר שינויים רבים.
מפלס המים בים המלח מושפע מכמויות הכניסה והיציאה של מים לים ושקיעת מלחים בקרקעיתו (כעשרה סנטימטרים בשנה). בין מקורות הכניסה של מים לים נמנים הזרימה בנהר הירדן, זרימת מי מעיינות (ובכלל זה מעיינות תת-קרקעיים) ונחלים אחרים, גשם, מי שיטפונות והזרמת תמלחת של מפעלי האשלג בישראל ובירדן. יציאת מים כוללת התאיידות ושאיבת מי ים על ידי המפעלים הכימיים.
שקיעת המלחים בים (בהיקף של עשרה סנטימטרים לשנה) מתרחשת כתוצאה מעליית שיעור המליחות של המים והזרמת תמלחת לים. בעבר הושפעו כניסת ויציאת מים אל הים וממנו רק מהתנאים הטבעיים ששררו באגן ההיקוות של הים. בתקופות בהן נרשמה עלייה במשקעים באגן ושרר מזג אוויר קריר יותר נטה המפלס לעלות, ובתקופות חמות ושחונות יותר נרשמה בו ירידה. אומדנים של מפלס ים המלח מאז המאה ה-12 שנעשו במחקרים ביוזמת הרשות הממשלתית למים ולביוב, וכן מספר מחקרים שביצע חוקר המערות עמוס פרומקין במערות הר סדום, מראים כי בשנים גשומות וקרות יותר היה מפלס ים המלח גבוה יותר.