천수만은 충청남도 서산시의 북단에서 황해 쪽으로 돌출한 안면도와 동쪽의 육지로 둘러싸인 만이다. 천수만 연안의 산지지역은 주로 완경사로, 산림이 우거지고 경작지가 분포하며, 주변 해역은 전형적인 리아스식 해안으로 굴곡이 심하고 여러 섬들이 위치한다. 이 만은 조석 간만의 차가 크기 때문에 갯벌이 넓게 발달되어 있었으나, 서산 A·B지구 간척 사업으로 일부 소실되었다. 그럼에도 불구하고 천수만은 동아시아의 철새 이동 중간 기착지이며, 환경부 지정 보호종 및 천연기념물 28종, 멸종위기 야생 생물 10종이 서식하고 있다.
천수만 연안의 산지 지역은 주로 완경사의 지형 특성으로, 산림이 우거지고 경작지가 분포한다. 천수만 주변 해역은 전형적인 리아스식 해안으로 굴곡이 매우 심하고, 수십 개의 섬들이 산재하고 있다. 만의 중앙부에는 7개의 작은 섬으로 구성된 죽도가 있는데, 이 섬은 북서쪽에 위치한 남-북 약 4㎞, 폭 약 900m에 이르는 주2와 연결되어 있다. 해안선의 길이는 약 151.3㎞에 달하며, 간석지가 분포하고 서부 해안과 동부 해안에 주4가 길게 발달되어 있다. 또한 남부의 섬들과 죽도, 그리고 죽도와 황도 사이에는 남북 방향으로 긴 사퇴(沙堆, sand 주3가 발달하였다.
만입구는 작은 섬과 주5 등으로 인해 항로가 굴곡되며, 만내측은 대부분 간석지로 되어 있지만, 만입구에서 약 10㎞의 사이는 수심이 510m 내외이다. 만입구의 소도는 원산도의 동단과 송학도의 사이로부터 들어가며, 서측의 효자도 · 추도와 동측의 몽덕도, 허육도, 육도와의 사이를 통하여 간월도로 연결된다. 천수만의 창리 부근 방조제 전면은 북서 및 남동풍을 피할 수 있어 주변 지역 선박들의 중요 피박지가 되며, 수심은 814.7m 정도이다. 천수만 구역에 분포하는 태안군의 도서들로는 황도, 송도, 풍두섬, 여우섬, 넉섬, 닭섬 등이 있다.
천수만으로 유입되는 하천은 대표적으로 만 중앙부 동쪽의 금리천, 만입부 동쪽의 상전천 등이 소하천이 있으며, 이 밖에 만 북부의 하천이 주6 내로 유입된다. 천수만 지역의 조석은 반일 주기형으로 조석 간만의 차가 큰 것이 특징이다. 특히 조석 간만의 차가 조금에는 2.8m, 사리에는 6.4m로 평균 주14가 4.6m에 이른다. 광천만으로 통하는 만의 입구는 큰 조차와 천수만으로 드나드는 조수 때문에 조류가 매우 빨라, 평균 속도는 밀물 0.8㎧, 썰물 0.9㎧이다. 조류의 방향은 주7을 따라 나타나는데, 홍성군과 죽도 사이로 밀물길이 형성되고 안면도 쪽으로는 썰물길이 나타난다. 즉, 만의 입구에서 밀물 시에는 북쪽으로, 썰물 시에는 남쪽으로 흐르기 때문에 비대칭적인 양상을 보인다.
전체적으로 천수만 내에서는 안면도 동쪽 해안보다 수심이 깊으며, 내만 지역은 평균 1.5m로 완만한 경사지를 이룬다. 죽도 부근의 경우 수심 약 2025m, 원산도 부근의 2030m인 것을 제외하면 거의 20m 정도의 수심 분포가 나타난다.
천수만은 과거, 적돌강과 사장포로 불리는 넓은 내만과 소규모의 만들을 포함하고 있었으며, 주15가 넓게 분포하고 있었다. 이러한 지형적 조건 때문에 오래전부터 간척에 적합한 지역에 해당하여 대규모 간척 사업이 진행되어 왔다. 천수만 연안은 조선시대부터 현재에 이르기까지 수백 년간의 간척 사업을 통하여 약 260㎢의 간척지가 조성되었는데, 이는 천수만 해역 총 면적의 약 1/4에 해당한다. 이러한 간척 사업은 조선 시대에 약 17%, 일제 강점기에 8%, 1950~1980년에 15%, 그리고 나머지 60%는 1981년 이후에 이루어졌다.
적돌강과 사장포는 각각 1982년과 1984년에 인공 제방이 건설되어 해수의 유입이 차단되었으며, 조성된 간척지의 면적은 각각 5,783㏊(서산 B지구)와 9,626㏊(서산 A지구)에 달한다. 이후, 1991년부터는 홍성군의 모산만 입구와 보령시의 오천만 입구에 방조제를 쌓아 간척지와 주13를 확보하는 공사를 진행하였다. 이 간척 사업으로 확보된 간척지는 모산만 512㏊, 오천만 1,134㏊이다. 천수만의 면적은 1980년 초까지는 약 375㎢이었으나, 서산 A · B지구와 홍성과 보령 지구의 간척 사업이 완공되어 현재 천수만의 면적은 약 250㎢로 축소되었다. 서산 A · B지구 간척 사업의 결과, 천수만 북단으로 통하는 중심 수로가 차단되어 방조제 부근의 유속이 급속히 약화되었으며, 이와 같은 급격한 흐름장의 변화는 인근 해역의 각종 해양 생태계에 영향을 미치게 되었다.
천수만은 간척으로 인한 갯벌의 소실과 방조제 건설 등과 같은 물리적 요인에 의해 다양한 생물의 서식처와 지역 주민 생계 수단의 변화 등이 나타났다. 천수만은 방조제 건설의 영향으로 면적이 약 50% 정도 감소하였고, 해수의 유동량 또한 약 40% 감소하였다. 이에 따라 만 내부의 순환이 약해져 주8의 퇴적물이 퇴적되고, 유속이 감소하여 만 내에서 강한 조류를 이용한 주9 어업과 조간대에서 주로 하던 김 양식업이 중단되었으며, 바지락 생산량 또한 크게 감소하였다. 특히 갯벌이 사라진다는 것은 갯벌이 지니는 주요 기능을 상실하게 되는 것으로, 갯벌의 자정 작용이 약화되어 주10된 민물이 만 내로 흘러들어 수질이 크게 악화되었다.
한편 천수만은 겨울이면 하루 최대 320여 종 40여 만 마리가 찾아오는 대표적인 철새 도래지이다. 철새들은 보통 해안가나 큰 강, 호수 또는 산맥 등을 이정표로 삼아 이동하는데, 천수만은 큰 호수와 넓은 농지 등 철새들의 이정표가 될 만한 좋은 조건을 갖추고 있고 북부 시베리아나 만주 등지에서 동남아시아에 이르는 철새 이동 경로의 중앙 지점에 위치하고 있다. 이런 조건으로 인해 천수만은 동아시아의 철새 이동 중간 기착지로, 환경부가 지정한 보호종뿐만 아니라 주11, 소쩍새 등 천연기념물 28종과 멸종 위기 야생 생물 10종이 서식하고 있다. 특히 이곳은 2013년에 환경부의 '생태관광지정제'에 따라 생태관광지역으로 최초 지정되었으며(지정 기간: 3년), 2021년에는 제도 도입 이후 3번 연속으로 지정되기도 하였다.
이에 천수만에서는 철새탐조투어가 35월, 1012월에 가능한데, 일반 및 심층 주12, 도요새 탐조 등으로 진행되며, 서산 천수만 생태문화탐방은 논, 경관, 탐조, 역사탐방 4개 코스로 이루어지고 있다. 더불어 철새의 월동지인 천수만의 중요성을 알리기 위해 2002년 10월 말부터 ‘서산 버드랜드 철새 기행전’을 개최하고 있다. 이는 크게 철새 탐조 대회, 새와 가족 만들기 등 다양한 프로그램과 박물관 및 4D 영상, 둥지전망대 관람 등을 운영 중에 있어 대표적인 겨울철 생태관광지로 자리잡았다.