Бухтарминское водохранилище создано в 1960—1964 гг. в верховье р. Иртыша в Восточно-Казахстанской и Семипалатинской областях Казахской ССР при строительстве Бухтарминской гидроэлектростанции для получения электроэнергии, водоснабжения городов и промышленных предприятий, судоходства, развития рыбного хозяйства.
Площадь водосбора в створе гидроузла 141680 км2, средний годовой сток 18600 млн. м3, за половодье — 13000 млн. м3.
В состав водохранилища вошло озеро Зайсан и дельта реки Черный Иртыш. При НПУ 402 м площадь водохранилища составляет 550 тыс. га, при УМО 395 м — 314 тыс. га (на озерную часть оз. Зайсан приходится около 360 тыс. га, на Иртышский отрог — 190 тыс. га).
Полная вместимость 49620 млн. м3, полезная — 30810 млн. м3.
Длина водохранилища 510 км, в том числе по оз. Зайсан — 110 км, по р. Иртыш — 350, по р. Черный Иртыш — 50 км. Ширина в устьях рек Бухтарма и Нарын до 16 км, в озерной части — более 30, по Иртышскому отрогу — 5—7 км. Средняя глубина 40 м, у плотины — 80 м. Площадь с глубинами до 7,5 м 245 тыс. га, или 46 % общей площади, с глубинами свыше 20 м — 53 тыс. га, или 10 % общей площади.
По морфологическим и гидрологическим особенностям водохранилище разделяется на два участка.
Верхний участок — это бассейн оз. Зайсан с дельтами рек Черный Иртыш и Кокпекты — с небольшими глубинами и сильно развитой литоралью.
Нижний участок — Иртышский отрог, — в свою очередь, делится на два: Большой Иртыш, от истоков до с. Камышинка, — типично равнинного характера со слабо изрезанной береговой линией, средними глубинами и умеренным развитием литорали; Иртыш, от с. Камышинка дв плотины ГЭС, — горного характера с изрезанной береговой линией, здесь преобладают глубины до 20 м, почти отсутствует литораль.
Зимняя сработка уровня составляет 2—3 м. С 1973 г. сработка воды увеличилась, что привело к резкому падению уровня водохранилища и осушению продуктивной береговой зоны на площади более 126 тыс. га. Полностью высохли важные зоны естественного воспроизводства рыбы, такие как залив Туранга площадью 5 тыс. га, значительная часть дельты Черного Иртыша площадью 12 тыс. га и др. Это резко ухудшает условия воспроизводства рыбы.
Ихтиофауна представлена 30 видами рыб, основными из них являются лещ, сазан, судак, плотва, окунь, ерш. Промысловая рыбопродуктивность составляет 11,3 кг/га.
Промысел рыбы ведут Зайсанский рыбокомбинат, Октябрьский, Бухтарминский, Павлодарский и Петропавловский рыбозаводы Минрыбхоза Казахской ССР и др.