A Bacia Araguaia-Tocantins drena 767.000km², dos quais 343.000km² correspondem à bacia do Rio Tocantins, 382.000km² ao Araguaia (seu principal afluente) e 42.000km² ao Itacaiunas (o maior contribuinte do curso inferior). Limitado pelas bacias do Paraná-Paraguai (Sul), do Xingu (Oeste), do São Francisco (Leste) e Parnaíba (Nordeste), o rio Tocantins, o tributário mais a sudeste da bacia Amazônica, integra a paisagem do Planalto Central, composta por cerrados que recobrem 76% da bacia. O curso inferior do rio Tocantins e o rio Itacaiunas são cobertos por floresta amazônica. Entre estas duas grandes regiões, a bacia cruza uma zona de transição, com ambientes pré-amazônicos.

Os rios Tocantins e Araguaia são bastante diferentes. O rio Tocantins é do tipo canalizado, com estreita planície de inundação. Nasce no escudo brasileiro e flui em direção Norte por cerca de 2.500km até desaguar no estuário do Amazonas (Baía de Marajó), nas proximidades de Belém. Os principais formadores do Rio Tocantins são os Rios Paraná e Maranhão. Este último nasce na Reserva Biológica de Águas Emendadas, no Distrito Federal, onde as bacias amazônicas, do Paraná e do São Francisco permanecem em comunicação. Corredeiras e cachoeiras são os habitats mais comuns ao longo de seu curso: dominam a paisagem do curso superior, encontram-se espalhadas no curso médio e formavam um importante habitat reprodutivo no curso inferior, hoje submerso pela represa de Tucuruí. As lagoas marginais são raras no rio Tocantins, mas integram importantes planícies de inundação no seu curso superior, na confluência com o Araguaia e logo abaixo da represa de Tucuruí.

O Rio Araguaia nasce nos contrafortes da Serra dos Caiapós e flui quase paralelo ao Tocantins por cerca de 2.115km. Apesar de ser um rio de planície, apresenta quatro trechos de cachoeiras e corredeiras. Nos trechos de planície, encontram-se a Ilha do Bananal (a maior ilha fluvial do mundo) e um número incontável de lagoas marginais. Durante a época da cheia, a enorme planície inundada integra as águas do Rio Araguaia às de seus principais afluentes, Rio das Mortes e Cristalino, formando a paisagem mais notável da bacia.

O regime hidrológico da bacia é bastante definido. No Rio Tocantins, a época da cheia estende-se de outubro a abril, com pico em fevereiro, no curso superior, e março, nos cursos médio e inferior. No Araguaia, as cheias são maiores e um mês atrasadas em decorrência do extravasamento da planície do Bananal. Ambos os rios secam entre maio e setembro, com picos de seca em setembro. Os rios da bacia correm sobre solos pobres em nutrientes e foram classificados como rios de águas claras.

Cerca de 300 espécies de peixes já foram identificadas na bacia. Algumas são típicas da Amazônia central, embora espécies dominantes naquela região, como o tambaqui, não ocorram. No curso superior ocorrem algumas espécies não amazônicas, das quais a tubarana (Salminus hiladi) é o exemplo mais conhecido. A bacia Araguaia-Tocantins também apresenta muitas espécies endêmicas, principalmente no curso superior. De modo geral, há uma diminuição da abundância e diversidade de peixes da foz em direção as cabeceiras, relacionadas principalmente à ausência de áreas de inundação.

O Rio Araguaia, entre Aruanã e Luiz Alves, recebe anualmente cerca de 18.000 pescadores amadores, principalmente na alta temporada que tem seu pico no mês de julho, onde centenas de acampamentos são montados nas praias, ao longo do curso do rio. As principais espécies capturadas pela pesca amadora são pacu-caranha, matrinxã, pirarucu, piau, tucunaré (nos lagos resultantes da época das cheias), cachorra, pacu, sardinha, corvina, apapá (ou dourada), traíra entre os peixes de escama; e, filhote, cachara, barbado, pirarara, jaú, mandubé, surubim chicote, bico-de-pato, mandi entre os peixes de couro. O Rio Tocantins também já é um destino de pescadores amadores. O reservatório de Tucuruí, no baixo Tocantins, promove anualmente o Torneio de Pesca da Amazônica-TOPAM, e o recém formado reservatório de Serra da Mesa, no norte de Goiás próximo a cidade de Uruaçu, está atraindo grande número de pescadores amadores. Outros reservatórios estão previstos para a bacia, principalmente no Rio Tocantins.