Bugten er omkranset af Kalø Vig mod nord, Sletterhage og Helgenæs mod øst, Samsø og Tunø mod syd samt den østjyske kyst omkring Norsminde mod vest. Områdets areal er på ca. 610 km² og er et relativt fladt bassin, der gradvist bliver dybere mod øst fra 14 til 18 m.

Den primære vandudveksling med Kattegat foregår gennem den dybe rende langs Helgenæs, hvor vanddybderne når ned på op til 50 m. I den sydlige del af bugten findes en række flader, herunder Norsminde Flak, Wulffs Flak og Mejlflak, der sammen med Tunø Knob, Tunø og Samsø fungerer som en barriere og begrænser den åbne forbindelse med Bælthavet.

I 2013 blev projektet HÅB (Havvind Århus Bugt) initieret omkring Mejlflak i Aarhus Bugt, mellem Tunø, Samsø og Helgenæs. Projektet blev imidlertid sat på pause i september 2015, inden byggeriet gik i gang, da energiselskabet NRGi ikke vurderede det som profitabelt.

I 2002 blev de indre danske farvande ramt af det mest omfattende og langvarige iltsvind i nyere tid, og Aarhus Bugt blev hårdt ramt. Undersøgelser fra DMU viste betydelige skader på bundfaunaen, især i Kalø Vig og de vestlige dele af bugten. Optagelser fra sommeren 2015 viser dog, at bundfaunaen og floraen er begyndt at komme sig i nogle af bugtens inderste og mest sårbare områder.