Природная гавань на Черноморском побережье Кавказа. Образована Суджукской косой и мысом Дооб. Длина 15 км, ширина у входа 9 км, в средней части 4,6 км, глубина 21-27 м.
Западный берег бухты пологий, постепенно переходящий в Навагирский хребет. Вершины Навагирского Хребта – горы Сахарная Голова (540 м) и Колдун (Мысхако, 440 м). Гора Колдун – остаток прибрежного хребта, часть которого провалилась в результате геологических процессов и образовала вход в бухту. Продолжение этого хребта на другой стороне бухты у Геленджика – гора Дооб (452 м).
Восточный берег бухты на всем протяжении высокий, местами обрывистый. Береговая линия почти не изрезана. Длина восточного берега 16,7 км, считая от мыса Дооб до восточного мола. К северо-западу от мыса Дооб расположены мысы Пенай и Шесхарис. В районе Мысхако берег на протяжении 2 км скалистый, затем сменяется галечным и переходит в пересыпь Суджукской косы. Последняя ограждает от моря мелководную Суджукскую лагуну, связанную с морем небольшим прорывом.
В 1,6 км от основания Суджукской косы расположен мыс Любви. В бухту впадает река Цемес, именем которой и названа бухта. В бухте два рейда: внешний и внутренний. Они отделены друг от друга западным и восточным молами, которые сооружены в 1897 г. для защиты судов от юго-западных и юго-восточных ветров. Осенью и зимой наблюдается сильный северо-восточный ветер (бора). Образование льдов в бухте – явление редкое. Порт практически незамерзающий.
Официально из Суджукской в Новороссийскую или Цемесскую бухта переименована 8 мая 1839 г. по указанию императора Николая I приказом № 330 главного командира Черноморского флота и портов. (Приказ подписал начальник штаба контрадмирал С. П. Хрущев).
Экологическая ситуация в Цемесской бухте сложная. В районе бухты – цементные (АО "Новоросцемент"), машиностроительные "Красный двигатель", "Молот" и другие заводы. В результате сброса сточных вод в бухту поступает много загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов, которые особо опасны возможностью накопления на илистом дне бухты.
В море сбрасываются ливневые воды с территорий и дорог города, причем хозяйственно-бытовые стоки частного сектора зачастую поступают в те же ливневки, что и дождевые воды. И река Цемес тоже стала источником постоянного загрязнения.
Морские течения идут в сторону Анапы. Западный мол и Суджукская коса задерживают их, ослабляя водообмен в бухте. На берегах бухты раскинулся город-порт, город-герой Новороссийск.