В XVIII веке В. Н. Татищев предположил что наименование реки означает — «светлая, как луна», «светлая», «луна». По другой версии — «красивая, как луна». Гидроним с башкирского языка переводится как «месяц», «луна»[2].
Ничего общего с действительностью не имеет легенда о том, что название происходит от междометия «ай» (будто бы так кричали богатые люди, испугавшиеся прихода пугачёвцев).[3]
По предположению некоторых учёных, гидроним мог возникнуть от названия башкирского родоплеменного объединения Айле (Ай), проживающего в долине реки, которое имело тамгу в виде полумесяца[4][5].
Длина — 549 км (из них: 271 км в Челябинской области, 278 км в Республике Башкортостан), общее падение — 714 м, площадь бассейна — 15 тыс. км². Средний уклон уменьшается с 4,3 % в истоке до 2,2 % у с. Лаклы и до 1,3 % в нижнем течении. По физико-географическим условиям бассейн реки делится на горную (от истока до села Лаклы Салаватского района) и равнинную (до устья) части. Горная часть расположена в пределах складчатых гор и предгорий Южного Урала. Равнинная часть лежит на Юрюзано-Айской равнине и Уфимском плато. Берёт начало из болота Клюквенное, расположенного на стыке хребтов Уреньга и Аваляк Южного Урала, в 2 км к юго-западу от кордона Южный и в 70 км к юго-юго-западу от города Златоуст. В верховьях течёт с северо-востока на юго-запад по территории Челябинской области. На территории Республики Башкортостан протекает с юго-востока на северо-запад через Кигинский, Салаватский, Дуванский и Мечетлинский районы и впадает в реку Уфа в 392 км от её устья на высоте менее 161 м над уровнем моря[6].
На реке Ай расположены города Златоуст, Куса, Межевой Челябинской области и районные центры Дуванского (Месягутово) и Мечетлинского (Большеустьикинское) районов Башкортостана. Сток реки зарегулирован двумя водохранилищами, прудами.
Питание преимущественно снеговое. У города Златоуст 67,1 % годового стока приходится на весенний период (апрель—июнь), 25,6 % — летне-осенний (июль — ноябрь), 7,3 % — зимний (декабрь — март); к устью весенний сток снижается до 62,6 %, летне-осенний увеличивается до 27,4 %, зимний — до 10 % (вследствие закарстованности, наличия прудов). Среднегодовой расход воды у Златоуста составляет 8,6 м³/с, у села Лаклы Салаватского района — 48,2 м³/с, в устье — 84,0 м³/с. Замерзает в конце октября — начале декабря, вскрывается в апреле — начале мая. Сплавная.