Вдается в северо-восточную часть залива Шелихова между мысом Тайгонос и мысом Божедомова[2]. В Пенжинскую губу впадает река Пенжина.
Высота приливов в Пенжинской губе достигает 12,9 м, что является наивысшим для всего Тихого океана показателем[4]. Сильные приливные колебания и течения не дают образоваться сплошному льду в акватории залива[3].
Со времён СССР существовали планы строительства Пенжинской ПЭС мощностью 87 ГВт, которая в случае реализации станет крупнейшей в России и мире.