Les bassins versants concernés par le plan forment un ensemble composé de 3 grandes unités morphologiques:

à l'amont, le Massif central modelé dans le substrat cristallo-métamorphique,

au centre, la partie sud occidentale du bassin sédimentaire parisien, prolongée au delà du seuil du Poitou par la Champagne charentaise,

à l'aval, les ondulations du Massif armoricain façonnées dans le socle primaire et archéen.

La moitié nord-est du Massif central correspond aux hauts bassins de la Loire et de ses principaux affluents: Allier, Cher et Vienne. Modelé dans les granites et roches primaires, cet ensemble est constitué de monts et de plateaux étagés, surmontés localement de formes volcaniques récentes. La réactivation d'anciennes fractures lors de l'orogenèse alpine a cloisonné l'interfluve Loire-Rhône et affaissé les bassins des Limagne, du Forez et du Basset. Bien que les altitudes restent modestes (entre 1886 et 300m), les dénivelées sont loin d'être négligeables. La pente longitudinale élevée des rivières favorise les écoulements rapides, notamment lors de fortes précipitations, d'autant que le ruissellement est favorisé par la densité du réseau hydrographique et la perméabilité réduite des formations superficielles et du substrat.

Cet espace, qui n'a jamais été densément peuplé, est largement confronté à l'exode démographique, sinon à la désertification. Les modes d'occupation et d'exploitation du territoire se caractérisent par l'extension de la sylviculture et des friches agricoles, la progression des formes extensives d'élevage, un réseau urbain peu serré, si l'on excepte l'agglomération clermontoise et la conurbation stéphanoise. La conjugaison de ces différents facteurs, combinées à une pluviométrie généreuse et bien répartie, concourt à une qualité moyenne à bonne des eaux; celle-ci s'altère à proximité des agglomérations les plus importantes, ou de sites dont l'exploitation a engendré des pollutions fortes (ex: ancienne mine du Châtelet en Haute Vienne).

En aval du bec d'Allier et au nord d'une ligne Bourbon l'Archambault-Montmorillon, la Loire et ses principaux affluents pénètrent dans le Bassin parisien dont les auréoles sédimentaires sont surtout constituées de roches calcaires, résistantes (Berry, Beauce) ou tendres (tuffeaux et craies tourangeau et angevin).

En bordure du socle ancien (Brenne notamment) et en Sologne, ce substrat filtrant a été imperméabilisé par des alluvions anciennes de la Loire et de ses affluents. Ces espaces sont de ce fait caractérisés par un chevelu hydrographique dense, avec les secteurs d'argile à silex du Perche. Ailleurs, le réseau hydrographique autochtone est très peu développé, sinon inexistant (Beauce); les plateaux calcaires sont séparés par les principales vallées alluviales qui s'élargissent lentement vers l'aval entre de brefs coteaux. L'écoulement perd rapidement le caractère vigoureux qu'on lui connaît à l'amont, avec l'atténuation sensible de la pente longitudinale des rivières. Cette indigence hydrographique est considérablement accentuée par les prélèvements effectués dans les nappes alluviales et souterraines dont certaines soutenaient naturellement les étiages. Il en résulte une grande sensibilité aux pollutions dont la cause principale est l'agriculture intensive qui occupe une grande partie des plateaux calcaires. La qualité des eaux se dégrade sensiblement aux plans physico-chimique et bactériologique, en particulier en période estivale.

A partir d'Angers, le bassin versant de la Loire s'étend sur le socle armoricain. En dépit des altitudes médiocres, les déclivités peuvent être fortes, notamment là où les rivières franchissent des barres rocheuses (grès, schistes ardoisiers, roches cristallines.). Les bassins versants des côtiers vendéens ont des caractéristiques morphologiques similaires. Ceci peut générer un écoulement rapide et abondant lors de fortes précipitations, d'autant que le réseau hydrographique est dense. Le bassin de la Maine, qui conflue avec la Loire à hauteur d'Angers, peut ainsi apporter des masses d'eau importantes et provoquer des crues sur le cours inférieur du fleuve indépendamment de ses apports amont. La partie de l'estuaire soumise à la marée de salinité et les marais littoraux comprennent des zones marécageuses étendues de grand intérêt pour les espèces amphihalines. Leur dégradation s'est accélérée sous l'effet des différentes sources de pollution (urbaine, industrielle, agricole) alors que les aménagements portuaires et les modifications du lit du fleuve ont bouleversé les caractéristiques hydrauliques.