黃河最大支流。流域西起鳥鼠山，東至潼關，北界白於山，南止秦嶺。面積13.5萬平方公裡，分屬陝、甘、甯3省區。年徑流量84億立方米，年輸沙量5.5億噸，是黃河洪水和泥沙的主要來源區之一。支流水系受秦嶺和祁、呂、賀山地構造體系控制，呈不對稱分佈。南岸支流來自秦嶺、河短流急；北岸支流來自黃土高原，源遠流長。流域面積大於1萬平方公裡的支流有葫蘆河、涇河、北洛河。涇河、北洛河水大沙多，習慣上與幹流並稱“涇洛渭”。
渭河幹流發源於甘甘肅省渭源縣鳥鼠山南的壑壑山，長818公裡，流域面積6.25萬平方公裡。河源至寶雞峽河道長430公裡，在甘肅境內河谷川峽相間，有九峽九川，最大的川地為隴西川，長71公裡；最長的峽谷是寶雞峽，長130公裡。寶雞峽以下河道長388公裡，貫穿“八百裡秦川”，至潼關附近入黃河。整個流域中山區占29％，植被尚好，水土流失輕微；黃土丘陵區占40％，溝壑縱橫，植被稀少，水土流失嚴重；關中平原為黃土沉積和河流沖積平原，占31％，是陜西省的糧、棉基地。
流域屬大陸性氣候，年均溫6～13℃，年降水量500～800毫米，其中6～9月份占60％，多為短時暴雨，冬春隆水較少，春旱、伏旱頻繁。咸陽站年徑流量54億立方米，年輸沙量1.7億噸。水量主要來自右岸支流，沙量則主要來自左岸支流。
關中平原水利歷史悠久，最早為公元前8世紀的咸陽滮池，秦建鄭國渠，漢鑿龍首渠、成國渠等。隋、唐更有較大發展，後來水利漸堙廢，至清末所存無幾。民國時期建有涇惠、洛惠、湄惠等所謂“關中八惠”，但實灌面積有限。中華人民共和國成立後，對舊有灌區普遍進行改建擴建，並先後建成寶雞峽引渭、東方紅抽灌工程和馮傢山、羊毛灣等大中型水庫。甘肅省境川地灌溉也有較大發展，灌溉面積達55.3萬多公頃。歷史上渭河曾為重要航道，現因河道淤淺，陸運發達，已無航運可言。
渭河流域有重要的工業城市西安市、寶雞市、天水市。隴海鐵路沿渭河河谷橫貫東西，溝通中國沿海與大西北。
渭河流域是中國古文化發祥地之一。有藍田猿人遺址、秦安縣大地灣和西安市半坡村母系氏族公社遺址及長安縣灃鎬遺址等。臨潼縣的秦兵馬俑、天水的麥積山石窟、西安的碑林、大小雁塔等都是中國古文化中的瑰寶。西嶽華山和臨潼縣的華清池更是著名的旅遊勝地。