溺穀型河口灣。位於美國東海岸中部，是薩斯奎漢娜河在全新世海侵中沉溺而成的。註入該灣的大小河流共有50多條，其中以薩斯奎漢娜河為最大。主灣長約310公裡，灣口寬17公裡，灣內寬為6～50公裡，平均水深8.5米，最大深度達53米。灣區水域面積為11000平方公裡。
由各支流匯入切薩皮克灣的多年平均流量共為2000米3/秒，其中薩斯奎漢娜河的流量為980米33/秒，幾乎占入灣總流量的一半。其次是波托馬克河，為310米3/秒。徑流春季最大，夏秋季最小。
灣內沉積物主要來自河流，輸入物質大都沉積在各河進入灣區的上段。薩斯奎漢納河平均每年輸入100萬噸泥沙，主要為粘土和粉砂，在汛期特別是洪水時輸入該灣。1936年發生百年一遇的洪水時，因為持續時間長，灣頂區泥沙沉積達30厘米；1972年6月因颶風發生200年一遇的大洪水，薩斯奎漢納河流量最高達32000米3/秒，口門含沙量達10千克/米3，10天內就從該河帶入3100萬噸泥沙，使灣頂區淤淺15厘米。此外，海岸的侵蝕也是灣內沉積物的重要來源之一，年平均侵蝕量約有60萬噸。陸架殘留沙在潮流作用下向灣內輸移，其量估算有22萬噸，是灣內粗顆粒泥沙的主要來源。
灣口平均潮差僅1米，為溺潮河口灣。最大潮流流速為1.3米/秒。潮差北側稍大於南側。北側漲潮流較強，南側落潮流占優勢。灣內潮波基本為前進波，但在灣頂區，因潮波反射變為駐波。
鹽淡水混合屬部分混合型。灣口鹽度為18～33。鹽度垂直梯度以春季最大，秋季最小。在灣內，春、秋季表層與12米層的多年平均鹽度差分別為5.2、2.1。在橫向上，鹽度東高西低。枯水期間鹽水入侵界接近灣頂，但春汛時，鹽水界下移到離灣頂30公裡附近處。
灣內上層水流凈向海，下層水流凈向陸運動。凈流速的量級水平方向約為潮流速的五分之一，垂直方向估算為10-3厘米/秒。在枯季，灣頂附近最大渾濁帶發育良好。但在汛期，受薩斯奎漢納河控制的灣頂20～30公裡范圍內，整個水層的水流和泥沙凈輸移都向海。
整個灣區平均每年凈淤積138萬立方米，沉積速率為0.8毫米/年。但在灣頂段，因上遊薩斯奎漢納河排出的泥沙有四分之三在該段沉積，此外它又是最大渾濁帶所在，因此，平均沉積速率達7.2毫米/年。
該灣灣區咸水、半咸水沼澤地及潮間帶上部，長有各種鹽生草類植物。沼澤地為灣內水生生物提供瞭良好的繁殖場所，同時也是灣區生態系統變化的重要緩沖帶。眾多支流帶入大量營養鹽類，在灣內環流的作用下，營養鹽與懸浮物結合在一起，一面隨著上層水流向灣口，一面又下沉隨著下層水流回灣內，使灣內維持較高的生產率，是美國的一個重要漁場。每年4～5月及9～10月灣內矽藻大量繁殖，1962年灣區的漁獲量達14.5萬噸，還獲取1.36萬噸蛤和牡蠣。
切薩皮克灣毗鄰華盛頓和巴爾的摩等重要城市，灣口有諾福克軍港。1928年就有瞭關於灣內魚類及其生態的專著；第二次世界大戰後約翰佈金斯大學成立瞭一個專門研究灣區海洋學情況的切薩皮克灣研究所。一些海洋調查方法都首先在灣內實驗成功。例如，用若丹明染料來研究水中物質的擴散，用感應法來測鹽度等。為瞭對灣區的綜合開發利用提供科學依據，於1976年在灣區上段建立瞭一個長315米、寬225米的物理模型，為對灣區的自然環境研究提供瞭良好的條件，這是迄今世界上最大的物理模型。目前該模型已關閉（見圖）。
切薩皮克灣模擬試驗大廳室內模型