Sous les océans, son toit se trouve généralement entre 80 et 100 kilomètres de profondeur, tandis que sous les continents, il peut être beaucoup plus profond, et atteindre parfois 200 kilomètres. Sa limite inférieure, marquée par une augmentation progressive de la viscosité, se situe vers 400 à 700 kilomètres de profondeur, où elle fait transition vers le manteau mésosphérique plus rigide. L'épaisseur de l'asthénosphère est donc variable, mais on l'estime souvent autour de 200 à 300 kilomètres.

La propriété fondamentale qui définit l'asthénosphère est sa ductilité. Il ne s'agit pas d'une couche liquide, contrairement au noyau externe, mais d'un solide qui se comporte comme un fluide très visqueux à l'échelle des temps géologiques. Cette faible résistance à la déformation est à l'origine de son nom, qui vient du grec asthénès = "sans résistance". Cette propriété est intimement liée à ses conditions physiques. La température y est élevée, comprise entre environ 1300 et 1600 °C. Ces températures sont très proches, mais juste en dessous, du point de fusion des roches qui la composent, principalement des péridotites. On parle d'un état de fusion partielle. Seule une infime fraction du matériau, de l'ordre de 1 à 5 %, est effectivement liquide. Ce mince film de magma interstitiel lubrifie les joints de grains des cristaux solides, ce qui diminue drastiquement la viscosité globale de la roche et lui permet de fluer lentement, un peu comme un glacier.

L'asthénosphère est le siège de mouvements de convection mantellique à grande échelle. La chaleur interne de la Terre, provenant en grande partie de la désintégration des éléments radioactifs et de la chaleur primordiale, provoque une lente circulation du manteau. La matière chaude et moins dense remonte depuis les profondeurs, tandis que la matière plus froide et plus dense, notamment au niveau des zones de subduction, redescend. C'est ce mouvement de convection qui est le moteur principal de la tectonique des plaques. La lithosphère rigide est entraînée par le fluage de l'asthénosphère sous-jacente, comme un tapis roulant.

La transition entre la lithosphère et l'asthénosphère est une zone sismique majeure. Elle est le plus souvent marquée par la zone de faible vélocité (LVZ, pour Low Velocity Zone). Dans cette zone, la vitesse des ondes sismiques, en particulier des ondes de cisaillement (ondes S), diminue de quelques pourcents. Cette chute de vitesse est la signature géophysique directe de l'approche du point de fusion et de la présence de ce faible pourcentage de liquide, car les ondes se propagent moins vite dans un milieu partiellement fondu. C'est l'analyse fine de la propagation de ces ondes sismiques qui a permis de cartographier avec précision l'épaisseur de la lithosphère et la topographie de l'asthénosphère.

Le rôle de l'asthénosphère dépasse le simple couplage mécanique. Elle joue un rôle essentiel dans l'équilibre isostatique de la lithosphère. Selon le principe d'Archimède, la lithosphère rigide et plus légère flotte sur l'asthénosphère plus dense. Une surcharge en surface, comme l'accumulation d'une calotte glaciaire, provoque un enfoncement lent de la lithosphère dans l'asthénosphère, tandis que la fonte de cette glace entraîne un rebond post-glaciaire lent, par fluage du matériau asthénosphérique pour combler le vide. L'étude de la vitesse de ce rebond est d'ailleurs l'une des méthodes permettant d'estimer la viscosité de l'asthénosphère.