Тилигульский лиман является самым длинным лиманом Северо-Западного Причерноморья. Его длина достигает 68 километров, средняя ширина - 2,5 километра, площадь водной поверхности - около 150 квадратных километров. Северная и центральная части лимана мелководные, там средняя глубина составляет 3 метра. В южной и центральной частях лимана расположены котловины, максимальные глубины которых достигают почти 21-го метра.
Лиман отделен от моря пересыпью шириной около 4 и длиной до 7 километров. В пересыпи прорыт искусственный канал шириной от 26 до 40 метров и глубиной до 1,5 метров, соединяющий лиман с морем. Длина его составляет 3700 метров. Долгое время эксплуатация канала в рыбохозяйственных целях предусматривала открытие его весной для запуска малька в лиман на нагул. Однако канал функционировал эпизодически, поскольку интенсивно замывался песком со стороны моря.
К каналу примыкают мелководные соленые озера, связанные с ним. В северную часть лимана впадает река Тилигул. Длина реки - 173 километра, ее ширина доходит до 20 метров, площадь бассейна 3550 км², среднегодовой расход воды близ устья по данным в период 1953-1988 гг. составлял около одного метра кубического в секунду, однако с 1989 этот показатель уменьшился вполовину, из-за создания многочисленных прудов в гидрографической сети лимана.
Тилигульский лиман и прилегающая территория имеют значительные рекреационные ресурсы. Среди них выделяется крупнейшее месторождение минеральных лечебных магниево-натриевых грязей, запасы которых оцениваются специалистами в 15 тыс. тонн. По климатическим, гидрологическим и экологическим показателям Тилигульский лиман дает большие возможности для лечебной, оздоровительной, рекреационной деятельности, а также для регламентированного рыболовства и охоты, экологического туризма. В водах лимана живет более тридцати видов рыб, здесь существует около двухсот видов водорослей.
На берегах водоема расположен Тилигульский региональный ландшафтный парк. Часть территории парка насчитывает более ста интереснейших природных объектов со значительным спектром редких и вымирающих видов флоры и фауны. Тилигульский лиман входит в международный список Рамсарской конвенции о защите водно-болотных угодий. Территории вокруг Тилигульского лимана охватывают площадь 26 тыс. км. в пределах Николаевской и Одесской областей Украины. Это один из немногих ветландов, которые сохранили сегодня природные приморские ландшафты. Его экологическая система имеет уникальные условия для жизни животного и растительного мира, акватория лимана является большой ценностью для поддержания биологического равновесия региона.
В настоящее время в результате антропогенной деятельности в бассейне лимана, климатических изменений, отсутствия научно обоснованных планов водного и экологического менеджмента, природные ресурсы Тилигульского лимана находятся под угрозой потери. Например, в течение аномально жаркого, с большим количеством ливневых осадков, лета 2010 г. были отмечены неоднократные случаи массовой гибели рыбы из-за "цветения" водорослей. В разных районах лимана локальные заморы рыб наблюдались также летом 1999, 2000, 2001, 2006, 2007 гг.
В результате значительного уменьшения поверхностного стока с водосборного бассейна и нерационального использования соединительного канала значительно увеличилась соленость воды в лимане, что привело к изменению доминантного пресноводного комплекса рыб на морской, с гораздо меньшим видовым разнообразием. В 2014-2015 годах зеркало Тилигульского лимана уменьшилось в два раза, а концентрация соли в нем в два раза превышала соленость морской воды. Ученые, которые били тревогу последние 10 лет, отвели на все работы по спасению водоема 2-3 года, иначе лиман перестал бы существовать и разделился бы на три отдельных чрезвычайно соленых озера.
В 2016 году началась реализация проекта по восстановлению постоянного канала, соединяющего лиман с Черным морем, и строительства гидротехнического сооружения, которое сделает невозможным заиление канала лиман-море песком. Начало этой работы уже позволило поднять уровень Тилигульского лимана на полтора метра и предотвратить его высыхание, которое прогрессировало. За два года наполнения водоема началось его интенсивное восстановление. В лимане появилась рыба: бычок, кефаль, камбала. Кроме того, экспедиция ученых зафиксировала на гнездовании рекордное количество птиц, по сравнению с остальными годами экологического кризиса. На пятнадцати островах в низовьях Тилигульского лимана снова появились кулики, крачки, лебеди, лысухи, утки, камышевки и другие пернатые.
Общий объем работ для восстановления канала, соединяющего Тилигульский лиман с Черным морем, разбит на три этапа. Первый предусматривал строительство гидротехнического сооружения, которое предотвратит засорение канала песком и илом. Он уже завершен.