Der Kanal gehört zu den spiegelgleichen Seekanälen und wird an beiden Enden durch Schleusen gegen die wechselnden Wasserstände (verursacht durch Gezeiten oder Windstau) der Nordsee und der Ostsee abgeschlossen. Die Endpunkte befinden sich in Brunsbüttel an der Elbe (km 0,38)[1] und in Kiel-Holtenau an der Kieler Förde (km 98,64)[1]. Sie liegen 98,26 km auseinander (Luftlinie 85,5 km). Die Fließgewässerkennziffer 5978 ordnet den Kanal offiziell dem Flusssystem der Elbe zu.
Der Kanal passiert verschiedene Landschaftszonen Schleswig-Holsteins.[4] Zunächst durchquert er die Marsch und durchschneidet dann einen Geestrücken. Auf dieser Strecke orientiert sich der Verlauf des Kanals zwischen Burg (Dithmarschen) und Schafstedt am Verlauf der Holstenau und von Kilometer 41 bis über Rendsburg hinaus dann an der Eiderniederung, in deren Flussbett er nordöstlich von Rendsburg verläuft. Dann erreicht der Kanal das östliche Hügelland. Zwischen Rendsburg, der wichtigsten Hafenstadt im Verlauf des Kanals, und Kiel bildet der Kanal die Grenze zwischen den Landesteilen Schleswig und Holstein.
Bei Kilometer 40,66 zweigt seit 1937 nach Norden der Gieselaukanal ab als Verbindung zur Untereider. Zum Nord-Ostsee-Kanal gehören als Bundeswasserstraßen[3] noch der Borgstedter See mit Enge auf seiner Nordseite östlich von Rendsburg und auf seiner Südseite der Flemhuder See bei Kilometer 85,32 und der Achterwehrer Schifffahrtskanal bei Kilometer 85,63. Bis 1913 mündete die Obereider durch den Flemhuder See, seitdem fließt das Wasser durch den Achterwehrer Schifffahrtskanal in den Nord-Ostsee-Kanal ein. Etwa 1.200 km² des ursprünglichen Einzugsgebiets der Eider entwässern in den Nord-Ostsee-Kanal. Bis 2008 gehörte auch die seeartig erweiterte Obereider zwischen Nord-Ostsee-Kanal und Rendsburg zum Kanal
Der Kanal entwässert insgesamt ein Gebiet von 1580 km², wovon 250 km² durch Schöpfwerke künstlich entwässert werden. Dabei fließen zwischen 4 m³/s und 190 m³/s in den Kanal, im Schnitt sind es 20 m³/s. Das Wasser fließt vor allem bei Brunsbüttel in die Elbe.
Im Unterschied zu flacheren Binnenkanälen sind im Nord-Ostsee-Kanal nur die Uferbereiche zwischen einem Meter über und bis zu zwei Metern unter dem Wasserspiegel zum Schutz befestigt. Hier liegen 15 bis 50 Kilogramm schwere Steine auf einer 30 bis 50 Zentimeter dicken Kiesschicht. Bei weichen Untergründen wie Torf oder Klei liegen diese auf einer Buschmatte, um das Gewicht optimal zu verteilen. Um den Kanal schiffbar zu halten, werden jährlich 6,5 Millionen m³ Nassschlick in Brunsbüttel ausgebaggert, im restlichen Kanal noch einmal 100.000 m³ Erosionsmaterial. Der Einsatz der Baggerschiffe birgt dabei zum einen ein Kollisionsrisiko für den Schiffsverkehr, zum anderen scheint auch insbesondere der Einsatz von Saugbaggern die Ökologie des Kanals zu stören.
Acht Straßen und vier Eisenbahnstrecken überqueren den Nord-Ostsee-Kanal auf insgesamt zehn Brücken, dreizehn Fahrzeug- und eine Personenfähre ermöglichen den Transport auf die andere Seite, und bei Rendsburg existieren seit 1961 ein Straßen- und ein Fußgängertunnel. Bekannt ist die in Rendsburg befindliche Eisenbahnhochbrücke mit der darunter hängenden Schwebefähre. Alle Brücken haben die gleiche Durchfahrtshöhe von 42 Metern für die Schifffahrt, weil der Kanal beim Bau für die Linienschiffe der Deutschlandklasse der kaiserlichen Marine ausgelegt wurde.