На юго-восточной окраине Восточно‑Европейской (Русской) платформы, на стыке с Туранской плитой, расположена Прикаспийская низменость, окружающая северную часть Каспийского моря и ограниченная на западе Ставропольской, Ергени и Приволжской возвышенностями, на севере Общим Сыртом, Предуральским плато на северо-востоке и востоке и плато Устюрт на юго-востоке.

Вся территория современной Атырауской области, являющейся одной из 14-ти областей Республики Казахстан, находится в юго-восточной части Прикаспийской низменности от Волго-Ахтубинской поймы и далее на восток, вплоть до предгорий Мугоджар южного отрога Уральских гор и до Южно-Жемского прогиба (Южно-Эмбинского) и занимает территорию между 47⁰ и 56⁰ восточной долготы и от 45⁰ до 49⁰ северной широты.

Поверхность низменности, расположенная в полупустынной и пустынной зонах, в общих чертах плоская, слегка волнообразная, незаметно понижающаяся на юг, к побережью Каспийского моря. Лишь местами ровный ландшафт осложнен островными возвышенностями и впадинами, слабо врезанными речными долинами и всхолмленными песками. Значительная часть территории области расположена ниже абсолютного нуля уровня мирового океана и лишь на северо-востоке и востоке, в предгории Мугоджар, отметка высот поднимается до 200 м (гора Кустобе - 223 м).

В четвертичном периоде Прикаспийская низменность неоднократно заливалась водами Каспийского (ранее Хвалынского) моря, которое отступая, оставляло за собой богатые солевыми осадками глинистые и суглинистые отложения в северной части области и песчаные отложения в южной, что оказало огромное влияние на формирование почвенного покрова.

По характеру почвенного покрова территория области делится на четыре зоны: приморскую, приречно-пойменную, полупустынно-степную и зону песков. Лесной массив занимает чуть более одного процента территории. Преобладающими видами почвенного покрова на территории Атырауской области являются пески, солонцы и солончаки. И лишь только в пойменной зоне реки Урал почвенный покров пойменно-луговой, сенокосный, что обусловлено близостью пресной воды.

Практически вся западная часть области, расположенная в Волго-Уральском междуречье, покрыта песками крупного массива Нарын (Рын-пески), а ближе к морю - песками Батпайсагыр, Томеншошак, Ментеке. В восточной части области наоборот преобладают соры, солончаки, крупные из которых Жамансор, Тентексор, Косчагыл, Мейбулак, Атанак, но на северо-востоке вновь встречаются пески Тайсойган, равно как и на крайнем юго-востоке, где начинаются пески Каракум.

Очень своеобразный характер рельефа имеют районы области, прилегающие к дельтам рек. Это районы развития так называемых "бэровских" бугров, характерных для дельтовой области реки Урал и для низовьев рек Сагиз и Эмбы, районы развития систем узких гряд высотой до 10 - 15 м, вытянутых преимущественно в широтном направлении.

Климат территории резко континентальный, крайне засушливый, с холодной, до минус 35 градусов, малоснежной зимой и жарким, до 40 - 45 градусов и малым количеством дождей, летом. В течение холодного периода преобладают восточные и юго-восточные ветры, в летний период - северные и северо-западные, которые достаточно сильны и порой переходят пыльные бури.

Расположение Атырауской области ниже уровня мирового океана на территории бывшего морского дна с высокой засоленностью почвы, дефицит пресной воды и суровый климат оказали влияние на растительный покров, в котором доминирует полынно-ковыльная и галофитовая растительность. Доминирующее положение в растительных сообществах на территории Атырауской области занимает полынь, которая представлена почти 40 видами, из которых наиболее распространена полынь Лерха и полынь песчаная.

Река Урал (Жайык, ранее Яик) - единственная крупная река в Западном Казахстане, протекающая по территории, в том числе, и Атырауской области и имеющая свободный сток в Каспийское море. Река Урал представляет собой мощную водную артерию, хотя ширина ее русла относительно невелика - около 200 - 300 м. Глубина реки очень изменчива: глубокие плесы часто сменяются мелкими перекатами. Течение Урала довольно извилисто и образует большое число петель. Долина реки изрезана по обеим сторонам старицами, протоками, озёрами и озерками. Во время весеннего половодья, происходящего от таяния снегов на Уральских горах, все они наполняются водой, которая держится в некоторых из них до следующего года. Весною реки и речки несут в Урал массу талой воды, река переполняется, выходит из берегов, в тех же местах, где берега отлоги, река разливается, иногда до десятка метров. В декабре, в устье, река замерзает и вскрывается в марте месяце.

Река Эмба - вторая по величине река Атырауской области, берущая свое начало в Мугоджарах, на южных отрогах Уральских гор, в рассеченном эрозией меловом плато. В нижней части река протекает по Прикаспийской низменности, по территории Атырауской области и имеет едва заметный уклон к морю. В верховье река имеет много плесов, в нижнем течении ее русло меандрирующее, сильно разветвленное, теряющееся среди солёных приморских соров. Примерно в 20 км от моря река образует дельту с тремя главными рукавами: Кара-Узяк, Киян и Кулок. Река Эмба крайне бедна водой. Питание её происходит почти исключительно за счет таяния снега. Весной, в апреле - мае, она многоводна, в некоторые годы вода доходит до Каспийского моря.

Река Сагиз берёт своё начало на Подуральском плато в месте слияния рек Кызыладыльсай и Даулда и оканчивается в 10-12 км южнее солончаков Тентексора Атырауской области. Дно реки преимущественно песчаное, ширина реки от 3 до 48 м. Питание реки снеговое, дождевое, с преобладанием снегового. Пойма реки открытая, поросшая камышом и местами заболоченная. В летний период в верховьях и низовьях пересыхает, разбивается на отдельные плёсы и протоки с солоноватой водой. В ноябре река замерзает, вскрывается в конце марта - первой половине апреля.

Кроме вышеназванных рек по территории Атырауской области протекает река Уил берущая начало в центральной части Подуральского плато и впадающая в горько-соленое озеро Жалтыколь и Актобе Актюбинской области. На территории Атырауской области река Уил разветвляется и образует пересыхающую реку Жарыпшыккан которая ветвится и постепенно теряется в песках Тайсойгана.

Наиболее крупное по размерам озеро в Атырауской области это озеро Индер (Индерское озеро) расположено на севере, в 10-ти км к востоку от реки Урал почти на границе с Западно-Казахстанской областью. Диаметр озера от 10-ти до 13,5 км, площадь около 110 кв. км. Воды озера содержат соли высокого качества, такие как калий, бром и бор. Реки в озеро не впадают, питание в основном подземное: соляные ключи, которых много у берегов, а также талые и дождевые воды весной.

В нижнем течении река Эмба разветвляется и образует пересыхающую летом речку Курсай, которая проходит через г. Кульсары и впадает в озеро Камысколь. Озеро не имеет постоянной береговой линии и его заполненность напрямую зависит от водостока рек Эмба и Курсай.

Большинство остальных озер имеет солоноватую воду, малопригодную для питья в летнее время, либо вовсе соленую или горько-соленую воду, содержащую солей до 250 г/л и более. Такие озера в летнее время пересыхают, их дно покрывается сплошной коркой самосадочной соли, местами покрытой небольшим слоем рапы. Иногда такие озера превращаются в топкие или сухие солончаки и соры.

Каспийское море - самое большое на Земле бессточное озеро, расположенное на стыке Европы и Азии, называемое морем из-за того, что его ложе сложено земной корой океанического типа. Вода в нём солёная, от 0,05 % близ устья Волги до 11 - 13 % на юго-востоке. Уровень воды подвержен колебаниям и согласно данным 2009 года составлял 27,16 м ниже уровня мирового океана. Площадь Каспийского моря примерно 371 000 кв. км, максимальная глубина в южной части у берегов Ирана - 1025 м.

Береговая линия Каспийского моря Атырауской области изрезана водными протоками и островками дельты реки Урал, берега моря низкие и заболоченные, а водная поверхность во многих местах покрыта зарослями камыша, порой достаточно густыми. Для побережья характерно отсутствие четкой береговой линии, нагонные ветры могут изменять её в пределах нескольких километров. Дно моря очень пологое, глубина моря на расстоянии в несколько километров от берега составляет не более 4-х - 5-ти метров. Солевой состав вод Каспийского моря отличается от океанского.

Областной центр Атырауской области - город Атырау (ранее Гурьев), расположен в устье реки Урал, в 30-50 км. от моря и был основан в 1640 г. Второй по величине город - Кульсары, расположен в нижнем течении реки Эмба и основан в 1939 г.

В настоящее время считается, что граница Европа - Азия проходит по восточной подошве Уральских гор и Мугоджар, затем по реке Эмба, по северному берегу Каспия и далее по Кумо-Манычской впадине и Керченскому проливу и следовательно основная часть территории Атырауской области расположена в Европе и лишь восточная часть от реки Эмба в Азии.

Однако предварительные результаты проведенной в апреле-мае 2010 года экспедиции Русского географического общества в Казахстане показали, что проведение границы Европы и Азии по реке Урал, равно, как и по Эмбе, не имеет достаточных научных оснований. Проблема в том, что южнее Златоуста Уральский хребет теряет свою ось и распадается на несколько частей. Далее горы постепенно сходят на нет, то есть исчезает главный ориентир при проведении границы. Реки Урал и Эмба ничего не делят, так как они почти идентичны. Река Урал является стопроцентной внутренней европейской рекой, только в российских верховьях её левый берег относится к Азии.

Вывод экспедиции таков: южная часть границы Европы проходит по краю Прикаспийской низменности, там, где заканчивается Восточно-Европейская равнина по Южно-Жемскому прогибу (Южно-Эмбинскому). Прикаспийская низменность образовалась миллионы лет назад, когда Каспийское море омывало западные уступы плато Устюрт. Поэтому, вероятнее всего, границей между Европой и Азией следует считать край этого геологического образования.

Таким образом, по мнению экспедиции Русского географического общества, Западно-Казахстанская и Атырауская области Казахстана целиком и части Актюбинской и Мангистауской областей находятся в Европе. Однако до настоящего времени мнение группы учёных из Русского географического общества не прошло оценки такой международной организацией, как Международный географический союз.