Длина — 2450 км[2], площадь водосборного бассейна — 177 000 км²[2] (163 000 км²[3]). Среднегодовой сток реки составляет около 2,5 км³[4]. Устье Ишима находится по левому берегу Иртыша, на его 1016 километре[2].
По данным государственного водного реестра России относится к Иртышскому бассейновому округу; речной бассейн — Иртыш; речной подбассейн — бассейны притоков Иртыша до впадения Ишима; водохозяйственный участок — Ишим от границы России с Казахстаном до устья без озера Большой Уват, до гидроузла Большой Уват.
Народное предание рассказывает, что река Ишим получила своё название от имени сына сибирского хана Кучума Ишима, который утонул в безымянной реке, названной позднее в его честь. Также слово «Ишимак» с татарского переводится как «разрушающий»[4].
Согласно Е. М. Поспелову, казах. есиль, др.-тюрк. йешиль — «голубая»[5]. Исследователь-историк Ардак Есжанов полагает, что Есиль (каз. Есіл) и Ишим — топонимические названия разных эпох: «Первое — более старое — означает „голубая“, а второе идет от имени казахского хана»[6].
Река берёт начало в невысоком горном массиве Нияз Казахского мелкосопочника у села Пришимское и на протяжении 775 км течёт на северо-запад, принимая ряд крупных притоков, стекающих с Кокшетауской возвышенности и с отрогов гор Улытау. В верховьях течёт в основном в узкой долине, в скалистых берегах. Ниже Астаны долина расширяется, за Атбасаром направление на юго-запад. На 1578 км у города Державинска (условная граница верхнего течения Ишима) русло резко меняет своё направление на меридианное — с юга на север. Ниже Сергеевки река выходит на Западно-Сибирскую равнину и течёт по плоской Ишимской равнине в широкой пойме с многочисленными старицами, в низовьях протекает среди болот и впадает в Иртыш у села Усть-Ишим.
Питание Ишима преимущественно снеговое. Река замерзает в начале ноября, вскрывается в апреле — мае. Средний расход воды у села Орехово в 61 км от устья — 83,1 м³/с, наибольший — 712 м³/с[7]. Максимальный расход воды реки Ишим в верхнем течении у города Астана составляет 1080—1100 м³/с, годовой объём стока 1 299 967 тыс. м³/год. Среднегодовой расход воды 1,11 м³/с[8].
| Климатограмма Астаны | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Я | Ф | М | А | М | И | И | А | С | О | Н | Д |
16 -10 -18 | 15 -9 -19 | 18 -3 -12 | 21 11 0 | 35 20 8 | 37 26 13 | 50 27 15 | 29 25 13 | 22 19 7 | 27 10 0 | 28 -1 -9 | 22 -8 -16 |
| Температура в °C • Сумма осадков в мм Источник: [9] | |||||||||||
| Климатограмма Державинска | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Я | Ф | М | А | М | И | И | А | С | О | Н | Д |
19 -10 -18 | 13 -9 -18 | 12 -2 -11 | 20 12 1 | 23 22 8 | 26 27 14 | 35 29 16 | 26 27 13 | 21 21 7 | 26 10 0 | 21 0 -8 | 20 -6 -15 |
| Температура в °C • Сумма осадков в мм Источник: [10] | |||||||||||
| Климатограмма Петропавловска | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Я | Ф | М | А | М | И | И | А | С | О | Н | Д |
20 -14 -22 | 15 -13 -22 | 14 -5 -14 | 22 8 -2 | 27 18 6 | 43 24 11 | 61 25 14 | 47 22 11 | 31 17 6 | 31 6 -2 | 24 -4 -12 | 19 -10 -18 |
| Температура в °C • Сумма осадков в мм Источник: [11] | |||||||||||
| Климатограмма Усть-Ишима | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Я | Ф | М | А | М | И | И | А | С | О | Н | Д |
22 -15 -24 | 15 -13 -23 | 15 -4 -15 | 27 6 -4 | 39 16 4 | 63 22 10 | 73 24 13 | 67 20 10 | 46 14 5 | 39 4 -3 | 32 -6 -13 | 24 -11 -20 |
| Температура в °C • Сумма осадков в мм Источник: [12] | |||||||||||