Поверхность Карибской плиты разделена на пять котловин: Гренадскую (глубина 4120 м), Венесуэльскую 5420 м, Колумбийскую 4532 м, Кайманову и Юкатанскую 5055 м. Впадины разделены подводными хребтами (вероятно, бывшими островными дугами) Авес, Беата и Никарагуанским поднятием.
Юкатанская котловина отделена от Мексиканского залива Юкатанским проливом, который расположен между полуостровом Юкатан и островом Куба и имеет глубину около 1600 м. К югу от Юкатанской котловины с запада на восток протянулась Кайманова котловина, частично отделённая от Юкатанской Каймановым хребтом, который в нескольких местах выходит на поверхность, образуя Каймановы острова. Никарагуанское поднятие, имеющее форму треугольника и глубину около 1200 м, простирается от побережья Гондураса и Никарагуа к острову Гаити. На этом поднятии находится остров Ямайка, также по нему проходит граница между Каймановой и Колумбийской котловинами. Колумбийская котловина, в свою очередь, частично отделена от Венесуэльской хребтом Беата, который поднимается до 2121 м ниже уровня моря. Колумбийская и Венесуэльская котловины соединены Арубским разрывом, глубина которого достигает 4 тыс. м. Хребет Авес отделяет от Венесуэльской небольшую Гренадскую котловину, которая с востока ограничена дугой Малых Антильских островов.
Береговая линия моря сильно изрезана, берега местами гористые, местами низменные (Прикарибская низменность). В мелководных районах имеются различные коралловые отложения и многочисленные рифовые постройки. На континентальном побережье (западная и южная часть моря) расположено несколько заливов, крупнейшие из которых: Гондурасский, Москитос, Дарьенский и Венесуэльский. В северной части расположены заливы Батабано, Ана-Мария и Гуаканаябо (южный берег острова Куба), а также залив Гонав (западная часть острова Гаити).
На восточном берегу Юкатана расположено несколько бухт, в том числе Асенсьон, Эспириту-Санто и Четумаль. Гондурасский залив оканчивается бухтой Аматике, расположенной на границе Белиза и Гватемалы. Северный берег Гондураса изрезан слабо, а в берег Москитов вдаётся несколько лагун, среди которых лагуны Каратаска, Бисмуна, Перлас и бухту Блуфилдс. На востоке Панамы расположена крупная лагуна Чирики. У берегов Южной Америки Дарьенский залив оканчивается заливом Ураба, а отгороженный полуостровом Гуахира Венесуэльский залив — озером Маракайбо. К западу от острова Тринидад лежит залив Пария, который считается частью Атлантического океана.
В понятие Вест-Индия принято включать Антильские и Багамские острова. Карибское море омывает только Антильские острова, которые подразделяются на Большие Антильские острова и Малые Антильские острова. Большие Антильские острова окаймляют северную границу моря и включают в себя четыре крупных острова: Кубу, Гаити (ранее назывался Эспаньола), Ямайку и Пуэрто-Рико, а также небольшие близлежащие острова — архипелаги Лос-Канарреос (крупнейший остров Хувентуд) и Хардинес-де-ла-Рейна, лежащие у южных берегов Кубы.
Гидрологический режим моря отличается высокой степенью однородности. Годовые колебания средних месячных температур воды на поверхности не превышают 3 °C — от 25 до 28 °C.[21] За последние 50 лет Карибское море прошло через три этапа: остывание до 1974 года, холодная фаза с пиками в 1974—1976 и 1984—1986 гг., а затем нагрев с 1986 года со скоростью 0,6 °C в год. Практически все температурные экстремумы были связаны с феноменами Эль-Ниньо и Ла-Нинья.
Относительно небольшая глубина проливов между Антильскими островами не позволяет проникать в Карибское море глубинным океаническим водам, температура которых составляет менее 2 °C. Глубинные течения входят в Карибское море через Наветренный пролив и пролив Анегада, вода в них богата кислородом, имеет температуру от 4,2 до 4,3 °C и немного меньшую солёность.
В юго-западном районе моря, между побережьями Колумбии и Никарагуа, на протяжении почти всего года существует круговое течение, закрученное против часовой стрелки. Приливы в акватории Карибского моря в основном неправильные полусуточные, амплитудой менее 1 м.
Бассейн Карибского моря располагается на территории Центральной и Южной Америки. Самая крупная река, впадающая в Карибское море, — Магдалена (1550 км) с притоками Каука и Сесар. Её годовой сток оценивается в 228 км³, или в среднем 7,2 тыс. м³/с (данные с 1942 по 2002 год). В залив Ураба Дарьенского залива впадают реки Атрато (годовой сток — 81 км³), Леон (2,1 км³) и Турбо (12 км³). Среди других рек Южной Америки Дике (9,4 км³) и Сину (11,8 км³), а также Кататумбо и Чама, которые впадают в Маракайбо — крупнейшее озеро континента.
Карибское море находится в зоне тропического климата, на который влияет пассатная циркуляция. Средние месячные температуры воздуха изменяются от 23 до 27 °C. Облачность составляет 4—5 баллов.