Randers Fjord begynder ved Randersbro. Her løber Gudenåen ud i fjorden, som fortsætter ca. 30 km til udmundingen i Kattegat. Randers Fjord består af en indre, en central og en ydre del. Strækningen mellem Randers og Uggelhuse udgør den smalle, indre del af fjorden. Den er 10 km lang, op til 475 m bred og har siden sidste istid modtaget aflejringer fra både havet og Gudenåen. Efter Uggelhuse, hvor løbet breder sig ud og møder Grund Fjord, får Randers Fjord karakter af en egentlig fjord. Den centrale del af fjorden strækker sig ca. 17 km fra Uggelhuse i syd til Udbyhøj Vasehuse i nord og er op til 1,5 km bred. Kysten består her af 10‑12 m høje klinter og flere inddigede strandenge, som i dag anvendes til græsning og kornavl. Områderne uden for digerne domineres af strandenge med rørsump. Øst for Udbyhøj ligger den ydre del af fjorden. Den består af en bred, tragtformet udmunding, en del strandbanker og små holme. Gennem den lavvandede udmunding bugter sig en ca. 65 m bred og uddybet sejlrende.
Tidligere blev fjorden kaldt Gudenfjorden, da den udgør den nedre del af Gudenåen. Allerede i Snorres Heimskringla forekommer navnet Godnarfjördr, og i Øm Klosters Krønike, fra begyndelsen af 1200-tallet, omtales den som Guth nesse. Randers Fjord er da også snarere en flodmunding, hvor åens ferskvand blandes med det mere salte vand, der strømmer ind fra Kattegat i nordøst. I den yderste del af fjorden ligger saltholdigheden på 15‑20 ‰, hvilket svarer til saltholdigheden i overfladevandet i den tilstødende del af Kattegat. Herfra aftager saltholdigheden jævnt til omkring 1 ‰ ved Randers.
Ålegræsset er gået meget tilbage i fjorden, men findes stadig enkelte steder. Derimod findes grønalgen søsalat ofte i store mængder i den ydre del af fjorden. I modsætning til de fleste andre makroalger er søsalat i stand til at vokse, selv om den driver løst omkring i vandet.
Langs fjorden findes udbredte strandenge med bl.a. strandmalurt, strandasters og strandgåsefod. Nogle steder kantes kysten af en smal strimmel rørskov af tagrør, dunhammer og strandkogleaks. Mange steder er engene ved fjorden beskyttet af diger. Der er rejst forslag om at fjerne nogle af digerne, så vandet ved højvande har mulighed for at gå over sine bredder. På grund af de store mængder sand, som vandet fører med sig, må man for at bevare sejlrenden hvert fjerde år oprense ca. 400.000 m3 bundmateriale. Ved at fjerne digerne ville en stor del af partiklerne i stedet aflejres på de lavbundede arealer. Samtidig kunne det bidrage til at reducere næringsstofindholdet i fjorden.
Farvandet efter Udbyhøj Vasehuse er et bredt, fladvandet vadeområde, hvor nye, flade øer dukker op omkring de to større Mellempolde. Øerne og holmene er vigtige ynglesteder for havterne, strandskade og stor præstekrave. Derudover benytter et stort antal trækkende ande- og vadefugle det lavvandede havområde som rasteplads. Især i efterårsmånederne kan man opleve store flokke af bl.a. alm. ryle, hjejle, storspove og lille kobbersneppe. Vandrefalk og fiskeørn ses også regelmæssigt.
Enkelte spættede sæler kan af og til ses på holmene nær udløbet i Kattegat, mens marsvin i sommerhalvåret passerer tæt forbi kysten. Langs fjorden findes desuden hare, ræv, odder, rådyr og flere forskellige flagermus. Eksempelvis ser man ofte damflagermus jage over både fjordens vande og langs Kattegatkysten ved fjordens udmunding.
Havørred og laks vandrer gennem Randers Fjord for at nå gydepladserne oppe i Gudenåen. Også havlampret optræder jævnligt i fjorden, men det er meget usikkert, om den gyder i Gudenåen. Helt, skrubbe, tyklæbet multe, sild, smelt, aborre, ål og den forholdsvis sjældne stavsild træffes i hele Randers Fjord, men ellers er der en vis forskel på sammensætningen af fisk i hhv. den mere ferske inderfjord og den salte yderfjord. Mens inderfjorden rummer egentlige ferskvandsfisk som skalle, løje, gedde og sandart, møder man i den yderste del af Randers Fjord almindelige saltvandsfisk som makrel og hornfisk.
Randers Fjord indgår i habitatområdet Ålborg Bugt, Randers Fjord og Mariager Fjord, i fuglebeskyttelsesområdet Randers og Mariager Fjord og Ålborg Bugt, sydlige del samt i Ramsarområdet Dele af Randers og Mariager fjorde med tilgrænsende havområde. Af hensyn til ynglefuglene er der adgangsforbud på Mellempolde fra d. 1. april til d. 15. juli.
