Morza Karskie zajmuje powierzchnię ok. 883 tys. km² – akwen rozciąga się na przestrzeni 1450 km o szerokości 700 km. Leży na Szelfie Syberyjskim, przez co jego 40% ma głębokość nie większą niż 50 m, a jedynie 2% osiąga 500 m głębię. Na północy szelf przecinają dwie głębokie rynny – Rynna Świętej Anny wzdłuż wschodniego wybrzeża Ziemi Franciszka Józefa, której głębokość sięga 620 m i Rynna Woronina wzdłuż Ziemi Północnej o głębokości do 450 m. Na wschód od Nowej Ziemi biegnie płytsza rynna o głębokości 200–400 m.
Średnia głębokość Morza Karskiego to 111 m, natomiast jego głębokość maksymalna sięga 620 m (Rynna Świętej Anny). Morze jest płytsze od akwenów z nim sąsiadujących.
Zasolenie waha się między 8,0 a 33,5‰ – 8–12‰ w pobliżu ujść rzek Ob i Jenisej; 33‰ przy Ziemi Franciszka Józefa.
Klimat thumb|Nowa Ziemia i skute lodem Morze Karskie w marcu – zdjęcie satelitarne (2012) Morze Karskie pozostaje skute lodem przez 9 miesięcy w roku W północnych regionach lód powstaje we wrześniu, a na południu w październiku, utrzymując się do maja. W zimie pokryte jest lodem stałym, a latem lodem pływającym.
Średnia temperatura powietrza w styczniu wynosi od –28 °C do –20 °C, a minimalna to –46 °C. Temperatura wód powierzchniowych zimą dochodzi do –1,8 °C.