La Val di Chiana si presenta come un solco vallivo lungo circa 100 km ed esteso per circa 2300 km². La valle si protende da nord verso sud tra la piana di Arezzo e quella di Orvieto e ricomprende il bacino idrografico del Canale Maestro della Chiana, il principale corso d’acqua, e la parte settentrionale del bacino idrografico del fiume Chiani.
A nord-est è delimitata dalla fascia dei Preappennini toscani, tra cui svettano l’Alta Sant’Egidio (1.057 m), il monte Lignano (837 m) e il monte Corneta (744 m).
A sud-est giunge fino alle sponde del Lago Trasimeno e della Valle del Nestòre.
A ovest la Val di Chiana si estende fino ai declivi della Val d’Orcia e alle pendici del monte Cetona, la vetta più alta della zona, che raggiunge i 1.148 m.
Il paesaggio è prevalentemente collinare, con una lunga fascia pianeggiante in prossimità del Canale Maestro. L’altitudine media è di circa 405 m s.l.m..