Река берёт начало в невысоком горном массиве Нияз; в верховьях течёт преимущественно на северо-запад и запад, в основном в узкой долине, в скалистых берегах. Ниже Астаны долина расширяется, за Атбасаром направление на юго-запад. Перед Державинском Ишим резко поворачивает на север, у Петропавловска течёт на северо-восток. Ещё ниже уже в России 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 Усть-Ишима. Река судоходна вверх от Петропавловска на 270 км до Сергеевского водохранилища и от Викулово до устья.
Питание Ишима снеговое. Река замерзает в начале ноября, вскрывается в апреле — мае. Максимум весеннего половодья приходится на май — июнь. В низовьях река в половодье разливается до 15 км.
Основные притоки — Колутон, Жабай, Акканбурлук (правые) . На реке расположены Вячеславское и Сергеевское водохранилища. Воды Ишима используются для водоснабжения и орошения.
На Ишиме стоят: в Казахстане — Астана, Первомайка, Сергеевка (Акмолинская область) , Державинск, Есиль, Сергеевка (Северо-Казахстанская область) , Петропавловск; в России — Ишим, Балаганы, Каргалы, Усть-Ишим.