Zatoka znajduje się w miejscu zapadliska tektonicznego powstałego w kenozoiku.
Licząca około 380 km² powierzchni i 143 km obwodu, Guanabara jest drugą pod względem rozległości zatoką brazylijskiego wybrzeża.
Średnia głębokość zatoki wynosi 3 m wewnątrz lądu; 8,3 m w okolicy Mostu Prezydenta Costy e Silvy i 17 m w kanale wlotowym. W wewnętrznym rejonie zatoki, do którego wpada większość rzek, zbierające się osady doprowadziły do utworzenia namorzynów porośniętych typową dla lasu atlantyckiego roślinnością.
W czasach prekolumbijskich zamieszkana przez Indian z plemion tupi-guarani, Guanabara została odkryta przez portugalską ekspedycję badawczą 1 stycznia 1502. Od daty odkrycia wzięło później nazwę miasto Rio de Janeiro: członkowie ekspedycji mylnie wzięli zatokę za ujście wielkiej rzeki i nazwali ją Rio de Janeiro (po portugalsku: Rzeka Stycznia).
