Это очень глубокая и узкая впадина в юго-восточной части Тихого океана, расположенная вдоль почти всего побережья Чили и западного подножия Анд. Его длина около 2690 километров, а глубина - 8180 метров во впадине Ричардса. Желоб (как и все глубоководные желоба в Тихом океане) имеет небольшую ширину - от 30 до 90 километров.
По восточной окраине желоба земная кора имеет такое же строение, как континентальная, а на западной - земная кора имеет типичные черты океанической коры.
Продолжением Чилийского желоба является Перуанский - более длинный (длина 3310 километров), но менее глубокий с максимальной глубиной около 6000 метров. В западной географии эти желоба чаще всего считаются одним Перуано-Чилийским желобом.
Желоб ограничивает границы плиты Наска (погружающейся океанической) и Южно-Американской (надвигающейся континентальной). Такой процесс называется процессом субдукции.
В районе островов Хуан-Фернандес существует так называемая точка "тройного сочленения" с достаточно плоским рельефом дна и здесь желоб заполняется двухкилометровым слоем осадков. Отложение состоят в основном из турбидитов с прослойками глины, вулканического пепла и песка.
В районе желоба чаще всего находятся эпицентры очень сильных землетрясений которые приводят к разрушениям на континенте. Некоторые из этих землетрясений дают катастрофические волны цунами.
Можно отметить землетрясения в Консепсьоне в 1570 году, в районе Вальпараисо в 1730 и 1906 годах, в Арике в 1868 году, Великое Вальдивское землетрясение 1960 года (самое сильное на Земле с магнитудой 9,4-9,6),
Из сильных землетрясений XXI веке можно выделить землетрясение на юге Чили в 2010 году (М=8,8), землетрясение в области Тарапака в 2014 году (М=8,2), землетрясение в области Кокимбо в 2015 году (М=8,3).