De Timorzee is een relatief ondiepe zee. Ze wordt in het noorden begrensd door het eiland Timor, in het oosten door de Arafurazee, in het zuiden door Australië en in het westen door de Indische Oceaan.
De zee heeft een aantal riffen, eilanden waar niemand woont en aanzienlijke koolwaterstofreserves. De Timorzee werd in 2009 getroffen door de ergste olieramp sinds 25 jaar.
De wateren in het oosten staan bekend als de Arafurazee. De Timorzee grenst aan drie grote inhammen aan de noordkust van Australië, de Joseph Bonaparte Golf, de Beagle Golf en de Van Diemen Golf. De Australische stad Darwin is de enige grote stad aan zee. Het stadje Wyndham ligt aan de westelijke arm van de Golf van Cambridge, een inham van de Joseph Bonaparte Golf.
Rivieren die vanuit het Northern Territory in de Timorzee uitmonden zijn de Fish River, King River, Dry River, Victoria River en de Alligator Rivers. Rivieren in de regio Kimberley die in de Timorzee uitmonden zijn de Ord River, Forrest River, Pentecost River en Durack River.
De zee is ongeveer 480 km breed en heeft een oppervlakte van ongeveer 610.000 km². (235.000 vierkante mijl). Het diepste punt is de Timor-trog in het noordelijke deel van de zee, die een diepte van 3.300 m bereikt. De rest van de zee is veel ondieper, een groot deel is gemiddeld minder dan 200 m diep.
In mei 2010 werd gezegd dat er een krater van ongeveer 50 km breed is gevonden op de zeebodem van de Timorzee.
In de zee liggen een aantal belangrijke eilanden. Twee daarvan zijn Melville Island, onderdeel van de Tiwi-eilanden, voor de kust van Australië en de door Australië bestuurde Ashmore- en Cartier-eilanden. Men denkt dat de vroege mensen Australië bereikten door te "eilandhoppen" over de Timorzee.
Scott en Seringapatam riffen gevormd in het gebied. In het westen op hetzelfde onderwaterplatform liggen de Rowley Shoals.
