A vízgyűjtő nem más, mint a hidrológiai modellezés természetes térbeli alapegysége. Egy olyan összefüggő terület, amelynek egy kifolyási pontja van, és határát a vízválasztó vonal jelöli ki. Ezek a meghatározások egy kicsit árnyaltabbá válnak, abban az esetben, ha ún. városi vízgyűjtőkről beszélünk. Hiszen ebben az esetben, mind a felszíni tereptárgyak, mind a felszínalatti elvezető rendszerek megváltoztatják a vízgyűjtő természetes funkcióját (pl. lehetséges több kifolyási pont). A végpontban értelmezett alap-vízhozamot meghaladó kifolyás akkor jelenhet meg, ha a vízgyűjtőre csapadék hullik. Ennek szélsőséges esete az, amikor a talaj már vízzel teljesen telített vagy betonfelszínről van szó (vagy fagyott a felszín) a vízgyűjtő teljes területén, és a párolgás elhanyagolható, akkor a vízgyűjtőre lehullott csapadék térfogata megegyezik a vízgyűjtő kifolyó pontján távozó vízmennyiséggel. A valóságban a lehullott és kifolyó vízmennyiség aránya az előbb felvázolt két extrém helyzet közé esik. A vízgyűjtő így egy olyan hidrológiai egység, ahol hidrológiai ciklus elemei kvantifikálhatók, s hasonlóan a hidrológiai mérleg egyes elemeinek nagysága, többek között a lefolyó (kifolyó) vízmennyiség is kiszámolható (5.11. ábra). A vízgyűjtő szinten tehát, a megfelelő környezeti paraméterek ismeretében kiszámolható, hogy a lehullott csapadék mekkora hányada jelentkezik majd lefolyás formájában illetve, jelenik meg a vízgyűjtő kifolyási pontján.

5.11. ábra - A vízgyűjtő, mint hidrológiai egység a Bükkösdi-víz (bal felső), illetve a Pósa-völgy (jobb alsó) példáján. A jobb felső képen vízállás és vízhozam-szenzor látható. A bal alsó kép a vízgyűjtő fedettségi viszonyait mutatja be.

A vízgyűjtő terület nagysága széles határok között változhat, nagysága önkényesen határozható meg. A szomszédos vízgyűjtőket, a legmagasabb pontokon haladó vízválasztó vonal választja el egymástól. Ez azonban a síksági vízgyűjtők esetében nem szükségszerűen egyértelmű határ, pl. a síksági vízgyűjtők esetében bekövetkezhet a bifurkáció jelensége (pl. Pripjaty-mocsarak vagy Casiquiare az Orinoco és a Rio Negro/Amazonas között). A vízgyűjtők lehatárolása topográfia és domborzati alapon működik: lehatárolásának legkorszerűbb módja digitális domborzati modelleken segítségével végezhető el.

Általánosságban minél nagyobb a vízgyűjtő terület, annál nagyobb a lefolyó víz mennyisége. Különböző formulák léteznek a vízgyűjtő terület nagysága és a tetőző vízhozamok közötti kapcsolat számszerűsítésére a lefolyási tényezők alapján (pl. Vízügyi Segédletek). Egyszerűbb és általánosabb formában az összefüggés a Q_t = cAⁿ formában írható le, ahol Q_t a kifolyó vízmennyiség, c és n regressziós konstansok, amelyek empirikus alapon határozhatók meg, A pedig a vízgyűjtő területe.

A vízgyűjtő alakja leggyakrabban körte vagy csepp alakhoz hasonlítható. Azonban a vízgyűjtők alakja tág határok között változhat, s a következő formulával számszerűsíthető: K = A/L², ahol K az alaktani tényező (mértékegység nélküli), A a vízgyűjtő terület nagysága, L pedig a vízgyűjtő hossza a leghosszabb vízfolyás mentén mérve. Például, K = 1 egy kör alakú vízgyűjtő esetében és egynél kisebb, ha a körhöz képest elnyúlt alakú a vízgyűjtő.

A vízgyűjtő domborzata jellemezhető a relieffel és a maximális relieffel. A maximális relief a vízgyűjtő legmagasabb pontja és a kifolyási pont magassága között mért magasságkülönbség. A főmeder hosszanti profilja (hossz-szelvénye, magasságváltozás a horizontális távolság függvényében, Δh/Δz) is tükrözi a vízgyűjtő általános domborzati jellemzőit, valamint jellemzi a meder esését. Legtöbb esetben a főmeder esése a kifolyási pont felé haladva csökken. A meder esése legtöbb esetben 0,1 m/m (hegységekben) és 0,0001 m/m (torkolat közelében) változik.

Lineáris távolságok, mint például a felszíni lefolyási pályák hossza, vagy a vízgyűjtő hossza hasznos információk arra nézve, hogy egy csapadékesemény hatására milyen hidrológiai válasz következik be vízgyűjtő szinten. A hidrológiai válasz egyik, gyakorlati szempontból legfontosabb jellemzője az összegyülekezési idő (t_c). Az összegyülekezési idő többféle módon becsülhető, de alapvetően a csapadék intenzitása és a domborzat, valamint a felszínhasználat jellemzői határozzák meg. Legtöbb esetben viszonylag szoros fordított összefüggés figyelhető meg a csapadék intenzitás és az összegyülekezési idő között.