灌区地形自南向北倾斜，有山区、丘陵和畈地，以丘陵为主。沿渠线多为红色壤土、粘土、红色砂岩，部分地区夹杂砾石、灰岩及砂卵石。农业以种植水稻为主，兼种三麦、山芋、玉米、油料等作物。
灌区内青弋江、水阳江及漳河贯穿南北。青弋江全长275公里，流域面积8178平方公里，流经太平、泾县、南陵、芜湖、当涂，在当涂县黄池镇三里埂与水阳江汇合后，向西经芜湖市入长江。主要支流有徽水和琴溪河。徽水是青弋江上游最大支流，河道长949公里，流域面积1064平方公里，其中95%属山区。水阳江发源于绩溪县丛山关，经姑溪河当涂县太平口入长江，全长255公里，流域面积9416平方公里(不含江苏省)。主要支流有郎川河、西津河、中津河、东津河、华阳河、夏渡河。漳河，源出南陵县绿岭乡荷花塘，由鲁港口入长江，全长119公里，总面积1306平方公里。主要支流有烟墩河、峨岭河、后港河和峨溪河。
灌区属亚热带湿润季风性气候。春雨连绵，夏雨集中，秋雨偏少，冬季干冷，日照充足。多年平均降雨量为1300～1500毫米。降雨量年际变化大，年内分配不均。其中灌溉季节的4至9月份降雨量约占全年总量的75%。6、7月份雨量集中，强度较大，常易造成洪涝灾害。灌区多年平均气温15.6℃，最高温度40.7℃；多年平均相对湿度为80%；无霜期平均242天。
由于气候多变，水旱灾害频繁。据《宣城县水利志》记载：自东晋太宁元年(323年)至民国35年(1946年)的1623年中，出现较大水灾8次，较大旱灾39次。
灌区兴建前，山区径流虽然丰富，但骨干蓄水工程少，农田灌溉以拦河引水、泵站提水和小型塘坝蓄水为主，抗旱能力低，常受干旱困扰。1978年大旱，芜湖县的三元、宣城县的高桥等地人畜用水都靠车辆运载供应，持续达半年之久。据调查：大旱年份灌区受旱面积约占灌区总面积的90%。