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.
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. Средний расход в 215 км от устья — 56,3 м³/сек, наибольший 686 м³/сек.
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.