多摩川、
鶴見川、
荒川、
江戸川などが注いでいるが、湾口が狭く外海との海水の交換は行われにくい。そのためたびたびプランクトンの異常発生である
赤潮が発生してきた。外海に面している浦賀水道の水質は良く、加えて
黒潮の影響を受けるため温かい水を好む南方系の魚や
サンゴも生息している。特に、夏には
沖縄近海で見られるような魚(
死滅回遊魚)の姿を見ることも出来る。湾内には、明治・大正期に造られた
海堡(かいほ)を始め、多くの
人工島がある。対して、自然島は現在
横須賀市沖の
猿島のみ。
現在より100m近く水位が低かった
氷河期には観音崎付近以北迄が陸地となっており、今の東京湾をなす海域の中央やや西寄りを
利根川(利根川は江戸期初期迄
中川筋、以降明治迄は
江戸川筋が本流)、
多摩川、
入間川(江戸期迄
荒川は
綾瀬川筋で越谷で利根川に合流)等の現在東京湾に注ぐ川を集めて
古東京川が流れていた。現在でも水深30〜80mの海底にその蛇行する痕跡を見ることが出来る。