湾の東岸はカナダ楯状地であり、森林と岩の多い荒地が目立つ土地である。西岸はツンドラの湿地となっている。湾の最南部のムース川河口一帯のハンナ湾は干潟が発達しており、渡り鳥が多くラムサール条約の指定地となっている[1]。その緯度にもかかわらず、冬季から初夏まではハドソン湾同様、流氷に閉ざされる部分が多い。ジェームズ湾は、ハドソン湾とその水系では最も凍るのが遅く、最も流氷が溶け出すのが早い。このような条件からとくに哺乳類は少なく、ワモンアザラシやホッキョクグマ、シロイルカなどが主な種類である。[2]
流入河川にはオールバニー川、ムース川などがある。
