日本海海域呈不规则菱形，东北窄，中、南部宽，从西南向东北延伸2200多公里，东西宽约900公里，最大宽度1265公里，平均深度1350米，最深处4036米。面积约106万平方公里。
大陆架面积28.4万平方公里，约占海域面积1/4。大陆坡分 500～1000米和2000～3000米两个海底斜面。海盆大部深达3000米（3000米以上的约达30万平方公里）。形成于新第三纪初期至中期。北纬44°以北地区海水较浅，有一条南北向狭长的鞑靼海槽。北纬40°～44°之间，海底平坦，水深3000米以上，为日本海盆。北纬40°以南，海底地形复杂，有海岭、海盆、海槽、海台和海底谷等。海峡一般都狭而浅，其最窄处和最浅处的宽度和深度分别为：鞑靼海峡7.3公里和7米43公里和50米18.5公里和130米对马海峡41.6公里和50米。
日本海海底以海盆和峡谷为主。日本海海底有一条日本海沟，它位于日本群岛东部深邃的海底洼地。该海沟深度很大，其北部的塔斯卡罗拉海渊最深处达8513米，曾经被认为是世界海洋的最深点。
