Водохранилище простирается вверх по течению Зеи от плотины ГЭС выше города Зея. На участке длиной 40 километров в пределах хребта Тукурингра представляет собой узкий водоём с заливами, образованными в местах впадения притоков Зеи, а выше по течению, в пределах Верхнезейской котловины, переходит в широкий водоём. Байкало-Амурская магистраль проходит вдоль северного побережья водоёма и пересекает залив водохранилища 1100-метровым железнодорожным мостом между посёлками Верхнезейск и Горный.

Длина Зейского водохранилища в Амурской области составляет 227 км, наибольшая ширина 24 км, площадь 2420 км², объём 68,4 км³, глубина от 4 до 30 метров. Зейское водохранилище по объёму воды занимает третье место в России после Братского и Красноярского. Зимой толщина льда достигает от 120 до 150 см и более. В северной части водохранилище имеет озеровидную форму, на юге оно принимает каньонообразную форму.