Bolsjoj Uzen har sitt utspring på vestkanten av Obsjtsjij Syrt-høydene i Russland. Den renner mot sør over steppene i Det kaspiske lavland, og munner ut i Vest-Kasakhstan, i et nettverk av små innsjøer og sumper kalt Kamysj-Samarskijsjøene. Bolsjoj Uzen løper parallelt med elva Malyj Uzen, 50 kilometer lengre vest. Mesteparten av vannføringen kommer fra snøsmelting, og vannføringen er derfor størst i april, mens deler elva om sommeren tørker helt inn. Ved Novouzensk varierer vannføringen fra til . Elva er frosset over fra desember til vårløsningen i mars-april. Elva benyttes til vannforsyning og irrigasjon.