Русская форма названия образована от эвенкийского сэлэмдэ, сэлэнгдэ, сэлэмэ — «железо, железная река», «железистая», «опасная селями», где сэлэ — «железо», -нгдэ — словообразовательный суффикс. Происхождение названия подтверждается наличием в долине Селемджи железных рудопроявлений. У эвенков принято давать названия металлам по рекам, в долинах которых они находились.
Длина — 647 км, площадь бассейна — 68,6 тыс. км²[3]. Является крупнейшим по длине и площади бассейна притоком Зеи[4].
Берёт начало на стыке хребтов Ям-Алинь и Эзоп на высоте 1525 метров. Протекает в северо-западном и юго-западном направлениях, в зоне тайги и хвойно-широколиственных лесов. В верховьях, до посёлка Экимчан, — типично горная река с уклоном 0,06 ‰; ниже (до села Селемджинск) — полугорная, русло извилистое; в низовьях, протекая по северной окраине Зейско-Буреинской равнины, обретает равнинный характер.
Скорость течения на плёсах составляет 1,4-1,6 м/с, на перекатах — до 3 м/с. Ширина русла колеблется от 100 до 600 м. Русловые отложения в основном состоят из гальки.[4]
Питание преимущественно дождевое. Средний годовой расход воды в устье — 707 м³/с, наибольший (июль) — 10 300 м³/с, наименьший (март) — 5 м³/с, не редки наводнения в летний период. Замерзает в начале ноября, вскрывается в конце апреля—начале мая, толщина льда от 121 до 164 см. Средняя температура воды составляет 18 °C (июль, в низовьях). Во время бурных паводков часты наводнения.
Средняя мутность воды 80 г/м³. Минерализация воды реки небольшая. Вода относится к гидрокарбонатному классу и кальциевой группе.[4]