La cuenca del río Itata es el espacio natural comprendido por la cuenca hidrográfica del río Itata. Este espacio coincide con el espacio administrativo homónimo definido en el registro de cuencas con el número 081 que se extiende desde la divisoria de las aguas en la cordillera de los Andes hasta su desembocadura en el océano Pacífico. Se subdivide en 5 subcuencas y 34 subsubcuencas con un total de 11328 km².

A partir de los años 70 se ha ampliado el concepto de cuenca hasta entender, ya en los primeros años del siglo XXI, una cuenca hidrográfica en lo que respecta a su definición espacial y funcional, como la unidad geopolítica y socioeconómica más apropiada y racional para el desarrollo integrado de los recursos de tierras y aguas asociados a la vegetación y en conjunto con los usuarios de nivel local y regional.^[1]​^: 17

Como muchos ríos chilenos, el Itata tiene sus fuentes en las laderas occidentales de la cordillera de los Andes y fluye hacia el oeste hasta que, después de atravesar la cordillera de la Costa, desemboca en el océano Pacífico. Hacia el norte y hacia el sur se extiende la depresión intermedia o plano de Chillán como se le conoce en la región.

El río principal desemboca unos kilómetros después de bordear la localidad de Coelemu y recibir las aguas del río Lonquén. A partir de ahí y siguiendo el sentido de los punteros del reloj, limita con el ítem 080 del inventario de cuencas, Cuencas costeras entre límite regional y río Itata que incluye los ríos Buchupureo, Cobquecura y Taucú. Directamente al norte limita con la cuenca del río Perquilauquén de la cuenca del río Maule. Al este y separada por la cordillera, limita con la cuenca del río Neuquén. Al sur limita con las subcuencas de los ríos Laja y Claro de Yumbel, ambos de la cuenca del río Biobío. Hacia el suroeste limita con las cuencas costeras e islas entre ríos Itata y Biobío (082) que rúne entre otras a los ríos Andalién y Rafael.

Sus extremos alcanzan las coordenadas geográficas 36°13'S, 37°18′S, 71°02′W y 72°49'W.^[2]​^: 413

La cuenca abarca completamente la Región del Ñuble, más las comunas de Cabrero, Antuco y Tucapel que pertenecen a la Región del Biobío. Los principales asentamientos humanos de la cuenca del río Itata son:

La Dirección General de Aguas subdivide o reúne las cuencas de Chile acorde a las necesidades de estudio y gestión. Existen dos inventarios que han logrado ser aceptados como principales, el inventario de cuencas del Banco Nacional de Aguas (BNA) de 1978, de mayor uso, y el inventario de cuencas del Departamento de Administración de Recursos Hídricos (DARH) de 2014 de mejor cartografía que ha obligado a redefinir algunos límites, a veces con cambios mayores, pero también por algunas redefiniciones del concepto de subcuenca.

Bajo el BNA el código del ítem es 081 y con el DARH es 0801.

La subdivisión del BNA es como sigue:^[3]​

La disposición de cuencas en el inventario DARH es la siguiente:^[4]​

Los cuerpos de agua considerados en esta categoría son:

El informe de la Dirección General de Aguas considera que la cuenca alta del río Ñuble (hasta la junta con los ríos Cato y Sauces) tiene un régimen régimen mixto, con importantes caudales en meses de invierno y primavera. El resto de la cuenca, la cuenca baja y media del Ñuble y las del río Itata son de régimen pluvial.^[5]​^: 57

El inventario público de glaciares de Chile 2022 consigna un total de 44 glaciares en la cuenca, todos sin nombre propio. El área total cubierta es de 1,899 km² y se estima el volumen de agua almacenada en los glaciares en 0,025 km³.

• Humedal Desembocadura del río Itata

• Termas de Chillán
• Baños del Azufre

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El Atlas agroclimático de Chile distingue 14 distritos agroclimáticos en la cuenca:

•      7-8-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 24,4 °C y un mínimo de julio de 6,3 °C. Tiene un promedio de 339 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 2 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 11 meses. Registra anualmente 1.362 días grado y 303 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 920 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 726 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 375 mm.

•      8-9-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 22,5 °C y un mínimo de julio de 5,7 °C. Tiene un promedio de 297 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 3 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.185 días grado y 443 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.135 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 465 mm/año. El período húmedo dura 5 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 464 mm.

•      7-8-2 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 27,1 °C y un mínimo de julio de 5,7 °C. Tiene un promedio de 300 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 3 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.595 días grado y 395 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 858 mm y un período seco de 6 meses, con un déficit hídrico de 838 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 325 mm.

•      8-9-2 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo húmedo (Csb2Shh). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 25,1 °C y un mínimo de julio de 5,8 °C. Tiene un promedio de 304 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 4 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.266 días grado y 452 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.587 mm y un período seco de 4 meses, con un déficit hídrico de 475 mm/año.El período húmedo dura 6 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 882 mm.

•      7-8-3 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,5 °C y un mínimo de julio de 5 °C. Tiene un promedio de 262 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 6 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.754 días grado y 557 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 816 mm y un período seco de 6 meses, con un déficit hídrico de 947 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 291 mm.

•      7-8-4 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,7 °C y un mínimo de julio de 3,9 °C. Tiene un promedio de 228 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 15 heladas. El periodo de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.707 días grado y 784 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 720 mm y un periodo seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.030 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 229 mm.

•      8-9-5 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs) en una altitud media de 89 msnm y un área aproximada de 1.911 km².. La temperatura oscila entre un máximo de enero de 27,8 °C y un mínimo de julio de 4,2 °C . Tiene un promedio de 231 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 10 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.541 días grado y 815 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.000 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 777 mm/año. El período húmedo dura 5 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 405 mm.

•      7-9-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,5 °C y un mínimo de julio de 3,5 °C. Tiene un promedio de 211 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 17 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.606 días grado y 949 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.035 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 789 mm/año. El período húmedo dura 5 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 446 mm.

•      7-8-5 Templado cálido supratermal con régimen de humedad sub húmedo seco (Csb2Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,1 °C y un mínimo de julio de 3,5 °C. Tiene un promedio de 211 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 20 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.535 días grado y 949 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.137 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 846 mm/año. El período húmedo dura 5 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 528 mm.

•      6-8-1 Templado cálido mesotermal con régimen de humedad Sub Húmedo Seco (Csb1Shs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 28,7 °C y un mínimo de julio de 3,4 °C. Tiene un promedio de 196 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 23 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 7 meses. Registra anualmente 1.433 días grado y 1.023 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.393 mm y un período seco de 5 meses, con un déficit hídrico de 693 mm/año. El período húmedo dura 5 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 700 mm.

•      7-9-2 Templado cálido mesotermal con régimen de humedad sub húmedo húmedo (Csb1Shh). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 26,8 °C y un mínimo de julio de 3,8 °C. Tiene un promedio de 175 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 23 heladas. El periodo de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 7 meses. Registra anualmente 1.123 días grado y 1.101 horas de frio acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 1.884 mm y un periodo seco de 4 meses, con un déficit hídrico de 528 mm/año. El período húmedo dura 7 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 1.065 mm.

•      7-9-3 Templado cálido mesotermal con régimen de humedad sub húmedo húmedo (Csb1Shh). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 23,1 °C y un mínimo de julio de 0,9 °C. Tiene un promedio de 0 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 96 heladas.El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 5 meses. Registra anualmente 644 días grado y 1.717 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 2.333 mm y un período seco de 4 meses, con un déficit hídrico de 472 mm/año.El período húmedo dura 7 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 1.408 mm.

•      7-9-4 Templado frío con régimen de humedad húmedo con tendencia mediterránea (Cfcfs). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 19,7 °C y un mínimo de julio de -1,1 °C. Tiene un promedio de 0 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 191 heladas.El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 3 meses. Registra anualmente 370 días grado y 1.794 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 2.470 mm y un período seco de 2 meses, con un déficit hídrico de 253 mm/año. El período húmedo dura 7 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 1.435 mm.

•      6-8-2 Tundra (ET). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 14,1 °C y un mínimo de julio de -4,6 °C. Tiene un promedio de 0 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 295 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 0 meses. Registra anualmente 125 días grado y 1.800 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 2.356 mm y un período seco de 4 meses, con un déficit hídrico de 501 mm/año. El período húmedo dura 7 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 1.464 mm.

Los diagramas Walter Lieth muestran con un área azul los periodos en que las precipitaciones sobrepasan la cantidad de agua que el calor del sol evapora en el mismo lapso de tiempo, (un promedio de 10 °C mensuales evaporan 20 mm de agua caída) dejando un clima húmedo. Por el contrario, las zonas amarillas indican que durante ese tiempo el agua caída puede ser evaporada por el calor del sol.

Las principales actividades económicas en esta cuenca corresponden a la agricultura (viñas, parronales, espárragos, kiwi, trigo, remolacha, maíz, manzana, cebolla, vides y otros) cereales (arroz y cebada) y silvicultura (bosques, siendo el Pinus radiata la más común).

• Central hidroeléctrica Itata (20 MW)^[6]​

En un informe de la Universidad de Chile sobre la situación de los ríos de Chile en 1999 se reporta que:^[7]​^: 86

En el caso del segmento Río Itata-Nueva Aldea la principal fuente de contaminantes es la representada por las descargas de aguas servidas.

Las Áreas bajo Protección Oficial pertenecientes al Sistema Nacional de Áreas Silvestres Protegidas por el Estado (SNASPE) que se emplazan en la cuenca corresponden a:^[5]​^: 18

• Reserva nacional Los Huemules del Niblinto

En esta cuenca las áreas de Conservación de la Biodiversidad corresponden a:

• Vegas de Itata: Área de Vegas y área marina adyacente de alta productividad, plataforma continental más ancha del país, procesos de surgencia estacional, especies en estado de conservación.
• Altos de Ninhue (Anexo:Sitios Prioritarios para la Conservación de la Biodiversidad en Chile): Bosque caducifolio interior, bosque nativo secundario dominado por Roble asociado a Peumo.
• Cerro Cayumanque (Anexo:Sitios prioritarios ley 19.300 (artículo 11, letra D) en Chile): Bosque caducifolio del sur. Presencia de especies amenazadas, integridad ecológica y pristinidad. Bosque nativo secundario de superficie relevante. Presencia de especies con problemas de conservación (belloto del sur).
• Nevados de Chillán: Bosque caucifolio altoandino de Chillán y estepa altoandina subhúmeda. Presencia de huemul y otras especies en peligro.

• Dirección General de Aguas (2004). Diagnóstico y clasificación de los cursos y cuerpos de agua según objetivos de calidad. Cuenca del río Itata. Santiago de Chile: Ministerio de Obras Públicas (Chile). Archivado desde el original el 20070927201402. 
• Niemeyer F., Hans. Hoyas hidrográficas de Chile, Octava Región. Santiago de Chile: Ministerio de Obras Públicas (Chile), Dirección General de Aguas. Archivado desde el original el 11 de noviembre de 2018. Consultado el 13 de junio de 2019. 
• Sistema de información y monitoreo de biodiversidad. Cuenca del río Itata. Santiago de Chile. 
• Dirección General de Aguas (2014-cart). Anexo cartográfico nuevo inventario (DARH) SDT 356. Chile. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2023. 
• Ministerio de Obras Públicas de Chile, Dirección General de Aguas (2014). Informe técnico: Inventario de cuencas, subcuencas y subsubcuencas de Chile], División de Estudios y Planificación, SDT N° 364. Santiago de Chile. Archivado desde el original el 30 de marzo de 2019.