La cuenca del río Rapel es el espacio natural comprendido por la cuenca hidrográfica del río Rapel. Este espacio coincide con el espacio administrativo homónimo definido en el inventario de cuencas (BNA) de Chile con el número 060 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 6 subcuencas y 51 subsubcuencas con un total de 13.576 km².

El inventario de cuencas (DARH) le asigna el código 0600 (con cuatro cifras).^[1]​

A partir de la década de los años 1970 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.^[2]​^: 17

La cuenca desemboca bordeando la localidad de La Boca de la comuna de Navidad en el océano Pacífico y, siguiendo la dirección de los punteros del reloj, limita al norte con el ítem 058 del inventario de cuencas de Chile, el que incluye entre otros al estero El Yali y al estero Maitenlahue, luego con los afluentes más australes de la cuenca del río Maipo, el estero Popeta, el estero Codegua y ya en la cordillera, con el origen mismo del río Maipo. Hacia el este y separado por la cordillera de los Andes, limita con la cuenca trasandina del río Diamante tributario del Desaguadero. Hacia el sur limita con la cuenca del río Mataquito y en el suroeste con el ítem 061 llamado cuencas costeras Rapel-estero Nilahue.

Sus extremos alcanzan las coordenadas geográficas 33°53′ S, 35°0′ S, 70°2′ O y 71°50′ O.

Es una cuenca exorreica que desemboca en el océano. Dentro de la cuenca se pueden diferenciar cinco unidades características: cordillera de los Andes, precordillera, depresión intermedia, cordillera de la Costa (Chile) y planicies litorales.

La cuenca se extiende por 4 Regiones de Chile, pero mayoritariamente en la Región de O’Higgins (92%) y la Región Metropolitana (7%), quedando solo marginalmente representada en la Región de Maule (0,8%) y la Región de Valparaíso (0,2%).^[3]​^{: 2–29 [4]}​^{[notas 1]}​

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 060 y con el DARH es 0600.

La subdivisión del BNA es como sigue:^[4]​

La disposición de cuencas en el inventario DARH es la siguiente:^[6]​

Los cuerpos de agua considerados en esta categoría son:

Las curvas de variación estacional de los ríos Cachapoal y Tinguiririca muestran un régimen claramente nival en su cuenca superior, con crecidas en los meses de los deshielos primaverales aunque aguas abajo se aprecia la influencia de las lluvias de invierno en el caudal.

El inventario público de glaciares de Chile 2022 consigna un total de 754 glaciares en la cuenca, de los cuales 742 no tienen nombre. El área total cubierta es de 269 km² y se estima el volumen de agua almacenada en los glaciares en 10,8 km³. El más conocido es el glaciar Universidad.

El catastro del Inventario Nacional de Humedales (2020) contabiliza en la cuenca del río Rapel 4681 humedales entre naturales y artificiales con un área de 31.410 hectáreas, que se dividen en costeros, ribereños, tranques, embalses, andinos, etc.^[3]​^: 2–63

• Termas del Flaco
• Termas de Cauquenes

En la cuenca está ubicada la mina de cobre más grande del mundo, que es El Teniente, a orillas de la quebrada El Teniente, afluente del río Coya. En sus inicios la empresa virtió los relaves directamente al río Coya, luego los depositó en la quebrada Barahona en cuatro depósitos que fracasaron técnicamente. El siguiente fue el embalse Barahona I que colapsó a consecuencia del terremoto en 1928 causando graves pérdidas humanas. Luego se les confinó al embalse Barahona II, luego a la laguna Cauquenes y al embalse Colihues. Actualmente se les lleva hasta el embalse Carén por medio del canal de relaves Colón-Carén de 85 km de longitud.

Para tener una aproximación a nivel de cuenca (casos locales no están reflejados) del consumo comparado con la disponibilidad de agua, se define como:

${\displaystyle {\acute {\imath }}ndice\ de\ escasez\ h{\acute {\imath }}drica={\frac {Consumo\ h{\acute {\imath }}drico}{Oferta\ h{\acute {\imath }}drica}}x100}$

Siguiendo intrincadas definiciones del consumo y la demanda que consideran aguas superficiales, subterráneas, flujos mínimos de sustentabilidad, y consumos que no son devueltos al cauce original, todo ello según normas de organizaciones internacionales, se han clasificado los resultados en cuatro casos:^[7]​^: 29

• Brecha hídrica alta, se consume más del 40% del agua disponible: existe fuerte presión sobre el recurso hídrico y una urgencia máxima para el ordenamiento de la oferta y la demanda. En estos casos la baja disponibilidad de agua es un factor limitador del desarrollo económico.
• Brecha hídrica media, se consume entre el 20% y el 40% del agua disponible: existe presión sobre el recurso hídrico que debe ser ordenada, establecer prioridades, optimizar su uso y proteger los ecosistemas, también mediante inversiones.
• Brecha hídrica moderada, se utiliza entre 10% y 20% del agua disponible, la disponibilidad de agua es un factor limitador del desarrollo.
• Brecha hídrica baja, se utiliza menos del 10% de la oferta, no se experimentan presones importantes sobre el recurso hídrico.

Aplicada esta clasificación a la cuenca del río Rapel, el estudio estima una brecha hídrica media con un uso del 21% del agua disponible.^[7]​^: 80

El Atlas agroclimático de Chile distingue 15 distritos agroclimáticos en la cuenca:

•      5-7-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 23,7 °C y un mínimo de julio de 6,5 °C. Tiene un promedio de 345 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 1 helada. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 12 meses. Registra anualmente 1.375 días grado y 249 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 616 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 828 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 230 mm.
•      5-6-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 27,9 °C y un mínimo de julio de 5,7 °C. Tiene un promedio de 339 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 11 meses. Registra anualmente 1.723 días grado y 354 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 576 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 998 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 171 mm.
•      6-7-2 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 5,2 °C. Tiene un promedio de 281 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 5 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.802 días grado y 490 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 645 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.027 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 220 mm.
•      13-6-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 30,2 °C y un mínimo de julio de 4,8 °C. Tiene un promedio de 263 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 8 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.873 días grado y 544 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 562 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.076 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 157 mm.
•      5-6-2 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 30,1 °C y un mínimo de julio de 5,3 °C. Tiene un promedio de 273 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 5 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.840 días grado y 448 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 483 mm y un período seco de 8 meses, con un déficit hídrico de 1.087 mm/año. El período húmedo dura 3 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 95 mm.
•      5-6-3 Templado cálido mesotermal con régimen de humedad semi árido (Csb1Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 25,9 °C y un mínimo de julio de 3,8 °C. Tiene un promedio de 209 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 7 meses. Registra anualmente 1.166 días grado y 985 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 543 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.022 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 148 mm.
•      6-7-3 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,8 °C y un mínimo de julio de 4,3 °C. Tiene un promedio de 236 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 12 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.706 días grado y 743 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 656 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.034 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 234 mm.
•      6-2 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 30,1 °C y un mínimo de julio de 5,3 °C. Tiene un promedio de 273 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 5 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.840 días grado y 448 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 483 mm y un período seco de 8 meses, con un déficit hídrico de 1.087 mm/año. El período húmedo dura 3 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 95 mm.
•      6-7-4 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 29,6 °C y un mínimo de julio de 3,8 °C. Tiene un promedio de 227 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 16 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.621 días grado y 858 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 756 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.025 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 305 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.
•      4-7-1 Templado cálido supratermal con régimen de humedad semi árido (Csb2Sa).. La temperatura oscila entre un máximo de enero de 27,5 °C y un mínimo de julio de 3,3 °C. Tiene un promedio de 191 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 25 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 9 meses. Registra anualmente 1.387 días grado y 968 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 652 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 1.098 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 183 mm.
•      4-7-2 Tundra (ET). La temperatura oscila entre un máximo de enero de 13,9 °C y un mínimo de julio de -3,9 °C. Tiene un promedio de 0 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 291 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 0 meses. Registra anualmente 135 días grado y 1.800 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 747 mm y un período seco de 7 meses, con un déficit hídrico de 953 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 285 mm.
•      4-6-1 Polar (EH). La temperatura oscila entre un máximo de enero dede 4,9 °C y un mínimo de julio de -10 °C. Tiene un promedio de 0 días consecutivos libres de heladas. En el año se registra un promedio de 365 heladas. El período de temperaturas favorables a la actividad vegetativa dura 0 meses. Registra anualmente 0 días grado y 1.800 horas de frío acumuladas hasta el 31 de julio. La precipitación media anual es de 977 mm y un período seco de 6 meses, con un déficit hídrico de 652 mm/año. El período húmedo dura 4 meses durante los cuales se produce un excedente hídrico de 483 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 son la agricultura y la minería.^[5]​^: 15–16

En la cuenca se cosechan cereales, legumbres y cultivos industriales como el raps, la maravilla y la remolacha (ver IANSA). Entre los cultivos anuales se destaca el maíz y el trigo, pero también se producen la papa, el poroto y el arroz.

A estos cultivos, se debe agregar el cultivo de frutas (duraznos, manzanas y peras), destacando también, la producción frutícola de manzanas y uva de exportación.

De la actividad pecuaria, la producción avícola es la más relevante

En la cuenca se extrae cobre y molibdeno que financian los gastos del estado chileno en gran parte.

También se explota el cuarzo en Doñihue, y el caolín, en Santa Cruz.

El vulcanismo en la cordillera andina, junto a la alta sismicidad, ha generado numerosas vertientes termales, entre las cuales se encuentran en la cuenca del Rapel:^[8]​ Termas de Cauquenes y las Termas del Flaco.

El "lago Rapel" se ha transformado el un polo de atracción turística de la región, atrayendo por sus playas, bellezas y deporte acuático.

La industria en la cuenca sirve variadas necesidades de la minería y de la agroindustria como fabricación de artículos de pulpa, papel y cartón, fabricación de vinos y servicio de saneamiento y también industrias de alimentos, conservas, caldos, concentrados (y otros alimentos deshidratados), industria avícola, fabricación de productos metálicos. La industria está representada también, por la fabricación de productos químicos industriales y frigoríficos relacionados con la conservación de todo tipo de carnes.^[5]​^: 15–16

La página web del Ministerio del Medio Ambiente de Chile constata la ausencia de una Norma Secundaria de Calidad Ambiental Medio Hídrico para la cuenca.^[9]​

En un informe de la Universidad de Chile sobre la situación de los ríos de Chile en 1999 se reporta que:^[10]​^: 86

Las principales fuentes de contaminación de cuencas en Río Rapel-Estero Alhué en Quilamuta son los criaderos de cerdo, la industria de jugos, las agroindustrias en diversos rubros, la industria vitivinícola, la gran minería del cobre y la descarga 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

• Parque nacional Las Palmas de Cocalán
• Reserva nacional Río Los Cipreses

La superficie total abarcada por estas áreas es de 6.474 Ha aproximadamente, equivalentes al 1% de la superficie total de la cuenca.

La página web del Ministerio del Medio Ambiente de Chile consigna además las 11 siguientes zonas protegidas:^[9]​

• Bosque de Calabacillo
• Cerro Poqui
• Alto de Cantillana
• Reserva nacional Río Los Cipreses^[11]​
• Reserva nacional Roblería del Cobre de Loncha
• Santuario de la naturaleza San Juan de Piche^[12]​
• Santuario de la naturaleza Alto Huemul
• Sitio Prioritario (Ley 19.300 art. 11, letra d) "Altos del Río Maipo"
• Sitio Prioritario (Ley 19.300 art. 11, letra d) "Cordón de Cantillana"
• Sitio Prioritario (Ley 19.300 art. 11, letra d) "La Roblería/Cordillera de la Costa Norte y Cocalán"
• Sitio Prioritario (Ley 19.300 art. 11, letra d) "Las Cardillas"

• Niemeyer F., Hans. Hoyas hidrográficas de Chile, Sexta 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 18 de junio de 2019. 
• Dirección General de Aguas (2004). Diagnóstico y clasificación de los cursos y cuerpos de agua según objetivos de calidad. Cuenca del río Rapel. Santiago de Chile: Ministerio de Obras Públicas (Chile). Archivado desde el original el 10 de abril de 2019. 
• Dirección General de Aguas (2022). Plan Estratégico de Gestión Hídrica en la Cuenca del Río Rapel. Santiago de Chile: Ministerio de Obras Públicas (Chile). 
• Sistema de información y monitoreo de biodiversidad. Cuenca del río Rapel. 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. 
• Dirección General de Aguas, Diagrama unifilar de la ribera norte de los ríos Rapel y Cachapoal (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).