Река берёт начало в горах Нияз; в верховьях течёт преимущественно на запад и северо-запад, в основном в узкой долине, в скалистых берегах. Ниже Астаны долина расширяется. После Державинска поворачивает на север - северо-восток. Ещё ниже река выходит на Западно-Сибирскую равнину и течёт по плоской Ишимской степи в широкой пойме с многочисленными старицами, в низовьях протекает среди болот. Река судоходна вверх от Петропавловска на 270 км и от Викулово до устья. Впадает в Иртыш у Усть-Ишима. Русло реки извилистое, ширина его от 40 до 200 м. Дно преимущественно песчаное. Глубины на перекатах - 0.1 - 0.3 м, на плесах - до 8 - 10 м. Средняя ширина долины от 4 до 22 км. Пойма широкая с большим количеством озер. Длина реки 2450 км, это самый длинный в мире приток второго порядка; в пределах области расположен участок реки длиной 670 км. Падение реки от истока до устья составляет 513 м, средний уклон - 21 см/км. Формирование стока Ишима происходит в пределах Казахского мелкосопочника.