Le périmètre du bassin versant du Loir a été adopté par arrêté inter-préfectoral le 10 juillet 2003. Il s’étend sur un territoire de 7 160 km² et inclut pour partie, trois régions (Centre, Pays-de-la-Loire, Basse-Normandie), sept départements (Eure-et-Loir, Indre-et-Loire, Loir-et-Cher, Sarthe, Maine-et-Loire, Loiret, Orne) et 445 communes.
Le Loir prend sa source dans le sud-est du Perche en Eure-et-Loir, près de Saint-Eman, en amont d’Illiers-Combraye et au sud-ouest de Chartres à une altitude de 170 m. Après un écoulement ouest-est sur un tronçon relativement court, il suit une orientation nord-est/sud-ouste qu’il ne quitte plus jusqu’à sa confluence avec la Sarthe. Le linéaire total du Loir est de 320 km et sa pente moyenne assez faible est de l’ordre de 0.5‰.
Les principaux affluents du Loir sont les suivants :
- les rivières du Perche : Ozanne, Thironne, Foussarde, Yerre et Egvonne ;
- les apports Beaucerons : Conie et Aigre ;
- la Braye ;
- les apports aval de rive gauche : la Fare, le Long, la Dême et l’Escotais ;
- les apports aval de rive droite : la Veuve et l’Aune.
On dénombre par ailleurs sur le bassin du Loir huit aquifères souterrains correspondant aux masses d’eau souterraines DCE. Les principales nappes sont celles du Cénomanien, du Séno-turonien et de la nappe de Beauce. Le SAGE du bassin versant du Loir présente la particularité de se superposer sur 21 % de sa superficie avec le SAGE Nappe de Beauce et milieux aquatiques traitant spécifiquement de cette ressource.