坝址河床宽阔，河谷左、右岸地形各异，右岸高且陡峭，由裂隙和岩溶发育的上石碳纪灰岩和白云岩所组成;左岸为细砂层，夹有亚粘土和透镜体夹层，岸坡为高的阶地。右岸河谷有一构造大褶皱，南翼陡峭，北翼平缓。整个坝区均为第四纪沉积物所覆盖，右岸厚达80m。

坝区属典型的大陆性气候，彼尔姆附近年平均气温1.2℃，阿斯特拉罕附近9℃;最低气温西部-10℃，东部-16℃，年平均最高气温20~25℃。全年无霜期约200d，年平均降水量300~350mm。坝址以上控制流域面积120.8万平方公里。多年平均径流量2410亿立方米，相应的年平均流量7620立方米/秒，枯水年径流量1460亿立方米，相应的流量4640立方米/秒，丰水年平均年径流量3680亿立方米，相应的流量11670立方米/秒，最大实测流量63900立方米/秒，最小实测流量1400~3400立方米/秒，千年一遇设计流量70800立方米/秒，万年一遇的最大校核流量85800立方米/秒，实测水位变幅17.3m。正常蓄水位达到68m，大坝下游最高水位56.2m，最低水位38.0m。水库面积6450平方公里。库区淹没损失较大，有两座城市受淹，后采用筑堤防护，淹没部分铁路、公路和森林。