Каспийское море ежегодно замерзает только в мелководной северной части. Глубокие районы Среднего и Южного Каспия всегда свободны ото льда. Начало льдообразования и границы распространения льдов определяются главным образом синоптическими процессами и в некоторой степени притоком тепла из средней части моря. При средних гидрометеорологических условиях образование льда начинается в крайних северо-восточных районах моря с середины ноября и распространяется от берега. К концу этого месяца лед покрывает прибрежную зону всего Северного Каспия, во второй декаде декабря льды появляются в его мористых районах, а во второй половине января вся северная часть оказывается покрытой льдом.

В осенне-зимнее время в Северном Каспии наблюдаются припай и дрейфующие льды. Однако на протяжении этого сезона льды неустойчивы. При вторжениях теплого воздуха дрейфующий лед может частично таять, а в промежутке времени между датами первого появления льда и устойчивого льдообразования исчезать полностью. При затоках холодного воздуха идет усиленное льдообразование.

Средняя многолетняя толщина льдов в Северном Каспии изменяется от 25—30 до 60 см, в суровые зимы в отдельных районах может достигать 130 см, а наслоенных льдов — 2—3 м. При среднемноголетних гидрометеорологических условиях со второй половины февраля начинается разрушение льда, в первую очередь у западных берегов Среднего Каспия. Далее освобождаются ото льда открытые районы Северного Каспия и, наконец, его северо-восток. В конце марта — начале апреля море окончательно освобождается ото льда.

Несмотря на довольно короткое время существования льдов и Каспийском море, они существенно влияют на его гидрологические условия. Кромка льдов служит определенной фронтальной зоной, для которой характерна резкая горизонтальная изменчивость гидрометеорологических характеристик. Кроме того, в прикромочной зоне, расположенной обычно в районе свала глубин, происходит опускание охлажденных поверхностных вод, которые далее сползают по склонам в глубокие слои, усиливая зимнюю вертикальную циркуляцию.