L'intero bacino può essere suddiviso in 6 sottobacini: 

• il Casentino: dalla sorgente alla confluenza con il torrente Chiana;

• la Val di Chiana: un tempo era una zona paludosa, è stata bonificata in tempi relativamente recenti;

• il Valdarno Superiore: è una stretta pianura delimitata dal Pratomagno a destra, e dai modesti rilievi del Chianti a sinistra, da cui ha origine un solo torrente affluente di una certa importanza, l’Ambra;

• la Sieve : è l’affluente più importante dell’Arno e proviene dal Mugello;

• il Valdarno Medio: ha inizio a valle di Pontassieve. I più importanti torrenti affluenti sono il Bisenzio e L’Ombrone a destra, e l’Ema a sinistra;

• il Valdarno Inferiore: è un’ampia pianura, gli affluenti più importanti sono il Pesa, l’Elsa e l’Era.

La pendenza del letto varia dal 20% per un breve tratto vicino alla sorgente, allo 0,3% vicino alla foce.
La pendenza media è dunque di 0,5% .

Nel complesso le rocce costituenti il bacino dell’Arno sono facilmente erodibili. La colorazione giallastra delle acque è indice di un forte trasporto solido. Grandi quantità di materiale viene sottratta dall’alveo (ghiaie e sabbie) per l’industria edile.

La temperatura media annua diminuisce progressivamente procedendo dal mare verso l’interno della vallata.