ıdaş olan Bulgaristan, Gürcistan, Romanya ve Ukrayna için Akdeniz'e ulaşmanın tek yoludur. Çanakkale Boğazı ve Marmara Denizi'yle birlikte İstanbul Boğazı'nın egemenlik hakları, 20 Temmuz 1936'da imzalanan Boğazlar Sözleşmesi ile belirli kurallar ışığında Türkiye'ye verilmiştir.

Boğaz'ın en eski yerleşimcilerinden olan Bizanslılar, buraya "Bosporos" (Yunanca: "Βόσπορος") adını veriyordu. Bu sözcük inek ya da öküz anlamına gelen "βοῦς" ve yol, geçit anlamlarına gelen "πόρος" adlarının birleştirilmesiyle türetilmişti. "Öküz" ya da "inek geçidi" anlamına gelen Bosporos adını taşıyan boğaza bu adın verilmesi Yunan mitolojisinde baştanrı Zeus'un, İo adında bir kıza âşık olması olayına dayanır. Hikâyeye göre İo nehirler tanrısı İnahos'un kızıdır. Tanrıların kralı olan Zeus bu güzel kızı görünce ona âşık olur ve eşi Hera'dan gizlice onunla birlikte olmaya başlar. Bir gün Hera'ya yakalanmak üzereyken kendini bir buluta, İo'yu ise bir ineğe çevirir. Aldanmayan Hera, ineği hediye olarak eşinden ister. Onu Zeus'tan uzak tutmak adına Argos Panoptis adlı canavarın gözetimine bırakır. Ancak Zeus, Hermes'i yollayıp Argos'u öldürtür. Bunun üzerine Hera, ineğe dönüşmüş İo'yu sürekli rahatsız etmesi için ona bir sinek musallat eder. Sinekten kurtulmak için var gücüyle koşan İo boğaza geldiğinde kendini boğazın sularına bırakır ve bu engeli yüzerek geçer. Kıyıya çıktığı yerde Keroessa adında bir kız çocuğu doğurur ve bu kız büyüdüğünde denizler tanrısı Poseidon ile evlenerek Byzas adında bir oğlan dünyaya getirir. Bu çocuk doğduğu yerde kendi adını verdiği "Byzantion" kentini kurar. Bu mitolojik öyküler hem İstanbul şehrine hem de Boğaz'a adlarını vermelerinden dolayı önemlidir.

Boğaz'ın antik dönemde kullanılan adlarından olan Bosporus'un kökenine ilişkin ortaya atılan bir başka görüş de sözcüğün "Fosforos" (Yunanca: "Φωσφόρος" - "fosforlu, ışık saçan")'dan geldiği yönündedir. İstanbul Boğazı batı dillerinde hâlâ bu ad ya da bu adın değişik biçimleriyle bilinmektedir. Eski Türk kaynaklarında ise İstanbul Boğazı'nın "Halîc-i bahr-i rûm" , "Halîc-i bahr-i siyâh" , "Halîc-i konstantiniyye" , "Merecü'l bahreyn / Mecma'ül bahreyn" ve "İslâmbol Boğazı" gibi adlarla anıldığı görülmektedir.

Genel olarak İstanbul coğrafyası ve İstanbul Boğazı 4. jeolojik zamanda oluşmuştur. Ancak İstanbul Boğazı'nın nasıl oluştuğu sorusuna kesin yanıt verebilecek dünyaca kabul görmüş bir görüş yoktur. Bugüne dek yapılan bilimsel çalışmalar sonucunda ağır basan kanı, jeolojik açıdan İstanbul Boğazı'nın deniz suları ile dolmuş bir fay çöküntüsü olduğudur. Buna göre, MÖ 20.000 ilâ 18.000 yılları arasında, Buzul Çağı sonlanmış ve dünyanın büyük bölümünü kaplayan buz kütleleri erimeye başlamıştır. Binyıllarca süren bir erime sürecinin sonucunda, MÖ 8.000 ilâ 7.000'lerde Akdeniz'in suları ilk hâlinden yaklaşık 150 metre daha yukarı çıkmıştır. Deniz seviyesindeki bu büyük ölçekli artış nedeniyle Akdeniz'in suları Marmara'yı basmış; Marmara Denizi'nin suları da devam eden yükselmeler sonucunda Karadeniz ile birleşmiştir. Boğaz'ın derinliğinin kuzeyden güneye azalma göstermesi, geçmişte kuzeydeki bu yükseltilerin Marmara'nın sularına karşı bir set görevi gördüğü ve bunların deniz seviyesindeki yükselmeyle aşıldığı savını güçlendirmektedir.

Ortaya atılan bir diğer görüşe göreyse İstanbul Boğazı'nın olduğu yerden çok eski çağlarda çok büyük bir akarsu geçiyordu. Başta Haliç olmak üzere, bugün Boğaziçi'nde koy olarak beliren yeryüzü şekilleri o dönemde bu akarsunun kollarının ana suyla birleşme noktalarıydı. Buzul çağı bitip dünyadaki buzul çözülmeleri başlayınca tüm sular gibi bu akarsunun da su seviyesi yükseldi ve günümüzdeki biçimini aldı.

Marmara Denizi'nin suyla dolarak Karadeniz'le birleşmesi olayı, mitolojide bilinen ve kimi kutsal kitaplarda da yer alan Nuh Tufanı ile de ilişkilendirilmiştir. Bu konuda da pek çok araştırma yapılmış ve 2001 yılında Amerikalı araştırmacı Robert Ballard'ın bulgu ve savları büyük yankı uyandırmıştır. Çalışmaları 2001 yılı mayıs ayında National Geographic adlı coğrafya dergisinde de yayınlanmıştır. Ballard'a göre Buzul Çağı'nda Karadeniz, çevresinde verimli tarım alanları bulunan büyük bir tatlısu gölüydü. Günümüzden 12.000 yıl önce başlayan buzul çözülmeleriyle birlikte ortaya çıkan sular, İstanbul Boğazı'nın güneyindeki engelin ardında birikmeye başladı. En sonunda bu engeli aşmayı başaran sular muazzam bir hızla Karadeniz'e akmaya başladı. Bir tatlısu gölü olan Karadeniz'e tuzlu denizsuyu doldu ve bu süreç boyunca Karadeniz'in suları günde 15 cm kadar yükseldi. Su seviyesindeki toplam yükselmenin 150 metre olduğu kabul edildiğine göre bu süreç 1000 gün yani yaklaşık 3 yıl sürdü. Tufan savını savunan bilim insanlarına göre verimli tarım alanlarını ve göl çevresi yerleşimleri yutan bu olağanüstü su yükselmesi kuşaktan kuşağa Nuh Tufanı olarak aktarılarak günümüze dek ulaştı.

İstanbul Boğazı, tuzluluk oranları, su sıcaklıkları gibi birbirinden farklı özelliklere sahip olan iki su kütlesinin arasında yer alır. Karadeniz'deki tuzluluk ‰ 17 - 18 iken, bu oran Marmara Denizi'nde ‰ 35 - 36 kadardır. İstanbul Boğazı'nın en tuzlu bölümleri ise Marmara Denizi ile birleştiği alanlar, özellikle de Üsküdar açıklarıdır. Boğaz'ın tuzluluk oranları Yeniköy açıklarına kadar belirli noktalarda daha düşük değerlerle de olsa yüksektir. En düşük oranlar Karadeniz ile Boğaz'ın birleştiği noktadan başlayarak Beykoz açıklarına dek sürer.

İstanbul Boğazı'ndaki tuzluluk değerleri mevsimlere göre önemli farklılıklar gösterir. İstanbul Boğazı ve Karadeniz'den daha tuzlu bir suya sahip olan Marmara Denizi'nden Boğaza giren suyun miktarı kışın artar ve bu da kış mevsiminde Boğaz suyunun tuzluluk oranını önemli ölçüde arttırır. Boğaz suyunun tuzluluğu havaların ısınmaya başladığı nisan ayından itibaren, azalmaya başlar. Tuzluluk oranları haziran ayında en alt düzeyde, kasım ayında ise en üst düzeyde seyreder.

Boğaziçi'nde ve İstanbul Boğazı'nda genel olarak Akdeniz iklim özellikleri görülür. Yazların sıcak ve kuru; kışların ılık ve yağışlı olduğu Akdeniz ikliminin yanı sıra Karadeniz iklim özellikleri, Balkanlar ve Anadolu karasal iklimi de İstanbul Boğazı ve çevresinin su sıcaklığında etkilidir. Boğaz suyunun sıcaklığı genel olarak hava sıcaklığı ile aynı değerlerde seyreder.

İstanbul Boğazı, Tuna, Dinyeper ve Don gibi üç büyük akarsu ve sayısız küçük suyla beslenen Karadeniz'in sularının tek çıkış yoludur ve Karadeniz'den Marmara Denizi'ne boğaz aracılığıyla akan su miktarı yıllık 660 milyar metreküptür.

İstanbul Boğazı, Karadeniz'den alçak, Marmara Denizi'nden yüksek bir konumda yer alır. Düzey farklılığı Boğaz'ın başlangıç noktası ile bitiş noktası arasında toplamda 40 cm'yi bulur. Bu nedenle Karadeniz'den Marmara Denizi'ne sürekli bir yüzey akıntısı vardır. Yüzey akıntıları, Boğaz'ın orta kesimlerinde en şiddetli duruma gelirler. Akıntı kuvveti özellikle Kandilli açıklarından başlayarak güneye doğru saatte 5 kilometreyi bulan bir hızla güçlü bir biçimde devam eder. Yüzey akıntıları en kuvvetli hâllerini Karadeniz üzerinden gelen kuzey rüzgârlarının estiği dönemlerde alır. Olağan koşullarda 3-4 knot olan akıntı hızı, rüzgârlar ile beslendiğinde 7 knota kadar çıkar ve akış hızı hemen hemen bir nehir hızına ulaşır.

Marmara Denizi'nin suyunun Karadeniz'in suyundan neredeyse iki kat daha tuzlu olmasından dolayı bu iki denizin arasında büyük bir yoğunluk farkı bulunur. Daha tuzlu olan Marmara suyunun özgül ağırlığı Karadeniz ve Boğaz sularından daha fazladır. Bu nedenle bu iki su kütlesini bağlayan Boğaz'da dip akıntıları oluşur. Bu akıntı türü Boğaz'ın 15-20 metre derinliğinden başlayarak derinliğin el verdiği ölçüde 45 metreye dek inebilmektedir.

Boğaz'da kimi zaman da ana akıntının yolu üstünde bulunan koy ve burunların kıvrımlarına giren suyun, kıyıdaki kıvrımları izleyerek ters yönde akmasıyla da anaforlar oluşur. Bu anaforların ana yüzey akıntısına tekrar karıştığı noktalarda girdaplar görülür. Bu eğrimler denizciler arasında "ayna" olarak da adlandırılır. Oluşan anaforların büyüklüğü ve şiddeti, ana akıntının günlük şiddetine doğru orantılı olarak artar. Boğaz'ın ters akıntılarının yönü, büyüklüğü ve şiddeti hava koşullarıyla, özellikle de rüzgârlarla bağlantılıdır. Esen rüzgâr kıble ya da lodossa anafor akıntısının eni 1 gomina kadar daralır.

Güneyden esen rüzgârların çok kuvvetli olduğu zamanlarda, ana akıntı Boğaz'ın tamamını kaplayarak kuzeye yönelir. Üsküdar'ın kuzeyindeki koyda ters akıntı dar bir çizgide kuzeydoğu yönünde akar. Lodos esmesi hâlinde Boğaz'ın orta kesimlerine kadar ilerleyebilir. Beylerbeyi semtinin kuzeydoğusunda bulunan koyda, Vaniköy'deki koyda, Anadoluhisarı'nda ve İstinye ile Bebek koylarının dış bölümlerinde kısa ters akıntılar vardır.

Büyükdere Koyu'nda, 0.5 mil hızında bir ters akıntı kıyı şeridini izleyerek poyraz yönünde Mesar Burnu'na dek çıkar. Bu burunun kuzeydoğusunda ise başka bir ters akıntı girdap oluşturarak Tellitabya'ya ulaşır. Garipçe Burnu ile Rumeli Burnu arasında yer alan koylarda kuzey yönlü küçük çaplı ters akıntılar vardır.

Selvi Burnu'nun güneydoğusunda bulunan koyda ve İncirköy ile Beykoz limanlarının içinde bulunduğu Paşabahçe Koyu'nda, kıyıdan açıklara doğru, büyüklüğü 4 gominaya kadar çıkabilen büyük anafor akıntıları vardır. Boğazda ters akıntı bulunan diğer noktalar Fil Burnu'nun iki yakası, Keçilik Koyu, Poyraz Burnu, Umuryeri Koyu'nun güney kesimleridir.

İstanbul Boğazı'na özgü, güçlü akıntılardan biri de orkozdur. Orkozlar, başta lodos olmak üzere güneyden kuvvetli rüzgârların Marmara'nın sularını kuzeye yığmasından ötürü oluşur. Bu zamanlarda Boğaz'ın Marmara girişinde sular yarım metreye kadar yükselir. Bu olağandışı yükselme Boğaz'ın akıntı rejimini de değiştirir ve yüzeyde orkoz adı verilen ters akıntılar oluşur. Bu akıntının hızı zaman zaman 6-7 knota kadar çıkar ve Karadeniz'den Marmara'ya olan yüzey akıntısının hızına erişir. Orkozlar, yıl içinde birkaç kez görülür ve şehir hatları vapurlarının seferlerini iptal ettirecek kadar kuvvetli olabilirler.

İstanbul Boğazı'nd