Река образуется от слияния Лесного и Польного Воронежа у с. Никольское. Ее протяженность (от истока Польного Воронежа) — 368 км, площадь водосбора 21 570 км². Десятая часть бассейна покрыта лесом. В нижней части водосбора находится большой Усманский бор. В пойме реки имеются болота, которые занимают менее 1% от всей площади водосбора.
На водосборе много речных потоков. Из них 18 — реки длиной 10 км и более, 90 — меньшей длины. Малые реки летом почти ежегодно пересыхают. Общая длина рек около 900 км. Наиболее значительные притоки Воронежа — Матыра, Излегоща, Ивница и Усмань. В районе частично протекают реки Байгора и Плавица, являющиеся притоками Матыры.
Ширина долины р. Воронеж составляет 2—6 км. Правый силон долины крутой, его высота над урезом воды достигает 40 - 50 м. Вдоль склона тянутся небольшие полосы дубрав и смешанных лесов из дуба, вяза, дикой груши. Но есть и «лысые» горы. Левый склон долины низкий, широкие террасы далеко простираются на восток. В пойме, преимущественно левобережной, растет черная ольха, осина, ива, черемуха. На песчаных возвышенностях встречается сосна. Ширина поймы достигает 3 км.
Среднегодовой сток реки у г. Воронежа составляет 2,3 млрд. м³ (73 м³/с), у с. Карачун — 1,98 млрд. м³ (0.4 м³/с). С марта по май протекает 75,3%, с июня по ноябрь 16,2%, с декабря по февраль — только 8,5% от годового объема воды. Сток за лимитирующий период (июль - февраль) невелик, он в 3 раза меньше весеннего.
Многоводными отмечены 1942, 1947, 1970, 1980 гг. В 1947г. (5 апреля) у г. Воронежа расход воды был самым высоким (3000 м³/с). 1938, 1939, 1972, 1982 гг. — наиболее маловодные. Самый низкий расход воды наблюдался в июле 1939 г. (8,25 м3/с) и в декабре 1938 г. (7,46 м3/с).
Нижнее течение Воронежа находится в зоне естественного подпора от высокой воды Дона. Подпор распространяется вверх примерно на 50 км и является переменным, поскольку зависит от высоты уровня воды на Дону. В зоне переменного подпора на р. Воронеже весной наблюдается две волны — собственная и донская. Донская волна появляется раньше. Если волны совпадают, то на р. Воронеже образуется мощный весенний пик.
В половодье 1970 г. 9 апреля максимальный уровень воды в реке у г. Воронежа превысил максимум 1947 г. на 18 см и достиг 708 см.
В конце марта 1971 г. высокий уровень воды на Дону в районе устья р. Воронеж, на которой собственного подъема воды не было, явился причиной обратного течения. Утром 26 марта уровень воды в створе строящегося гидроузла почти на 2 м превысил уровень воды у Чернавского моста, и река пошла вспять. За один день уровень воды в реке в черте города повысился на 2 м, чего никогда раньше не наблюдалось.; Льдины медленно двигались вверх против течения, т. е. на север. Обратное течение отмечалось не только в 1971 г., но и в 1942, 1945, 1947, 1970 гг. Бывает оно на реке и после создания водохранилища.
Зимний режим на р. Воронеж начинается обычно 22 ноября, реже — 30 октября и 16 декабря. В это время на реке появляются забереги и сало, позже формируется внутриводный лед. Он образуется внутри потока при среднесуточной температуре —22°. Наибольшая величина нарастания льда на стандартной сетке (8,2 кг в сутки) зафиксирована 22 ноября 1955 г. Резкое падение среднесуточной температуры воздуха в этот день до —11,1° (минимальная — 15,1°) обусловило интенсивное нарастание внутриводного льда на реке и сильный шугоход.
Шугоход на реке обычно начинается 25 ноября и продолжается 20 дней. Движение поверхностного и внутриводного льда на реке бывает почти каждый год: это явление отсутствует только в одном году из 10 лет. Затем наступает ледостав чаще всего 17 декабря, иногда 20 ноября или 4 февраля. Средняя толщина нарастания льда составляет 31 см( в суровые зимы 54 см).
Весной, в конце марта, река вскрывается, при этом происходит наползание отдельных льдин на берег. Через 9 ледоходный дней река полностью очищается ото льда.
Общая продолжительность ледовых явлений на реке составляет -4,5 месяца (наибольшая — 5,5, наименьшая —3,5)
Эрозионные процессы на водосборе развиты слабо. Этому способствуют его большая залесенность и сравнительно малые уклоны поверхности левобережья. Средняя годовая мутность воды р. Воронеж — 74 г/м³, с 1 км² площади водосбора смывается всего 9,8 т твердых частиц.
Минерализация речной воды весной небольшая — 90— 120 мг/л. Высокая минерализация наблюдается в межень. В летнее-осенний период она достигает 310—440 мг/л, в зимний— 530 мг/л. Вода пригодна для водоснабжения и орошения.
В 1972 г. на реке начало действовать Воронежское водохранилище. Последний затвор плотины был закрыт 31 марта, и сразу началось заполнение чаши. Оно проходило медленно, поскольку объем весеннего половодья 1972 г. оказался небольшим: зимой выпало на редкость мало снега и весенняя вода не выходила в речную пойму. Уровень воды в водохранилище достиг проектной отметки лишь в конце апреля.
Ниже створа плотины водохранилища, близ устья, река перекрывалась еще в 1703 г. при спуске в Дон выстроенных на р.Воронеж военных кораблей, направлявшихся к Азову. Другая плотина с той же целью была построена в 1704 г., но через год пришла в негодность и впоследствии была разрушена. Современная плотина — совершенное гидротехническое сооружение с водосбросными устройствами и шлюзом для речных судов. По плотине проходит автомобильная дорога. Водосброс гидроузла с 14 отверстиями, каждое из которых имеет ширину 12 м, рассчитан на пропускную способность 4430 м³ воды в секунду. Водосброс имеет низкий порог на уровне поймы.
Водохранилище ориентировано с севера на юг. Площадь его зеркала 70 км², длина 35 км, ширина 2 км, средняя глубина 2,9 м, общий объем воды 204 млн. м³. Наибольший подъем воды над меженным уровнем равен 7,8 м .
Гидрологический режим водохранилища — обычный для подобных сооружений в равнинных условиях. Скорость течения воды весной достигает 0,6—0,7 м/с, в межень в центральной части водохранилища составляет всего 2—3 см/с, на участках затопленного русла реки — чуть выше. В заливах, мелководных участках зоны выклинивания, поросших водной растительностью, скорость течения не улавливается.
По своим параметрам водохранилище относится к проточному (стрежневому) типу. Каждый год весной вода в нем полностью обновляется. Кроме того, часть воды регулярно сбрасывается в нижний бьеф и в меженный период.
Заиление водохранилища протекает слабо. Расход наносов, проносимых рекой через водохранилище — 6,4 кг/с, их объем — 202 тыс. м³ в год. В водохранилище остается около 20% годового объема наносов. В межень наносы аккумулируются преимущественно в хвостовой части водоема, где большая площадь мелководья (глубина до 1 м), составляющая 16,% от площади зеркала, или 11 км².
Как известно, летом в водоемах действует закон прямой стратификации (с глубиной температура понижается), зимой — закон обратной стратификации. Среднее положение занимает осенняя гомотермия: температура по всей глубине выравнивается, принимая постоянное значение (+4°), при котором плотность воды наибольшая. Гомотермия на Воронежском водохранилище наступает в конце октября — начале ноября: раньше всего — в верхней части, через 2—4 дня — в центральной части, спустя 5—7 дней — у плотины. Охлаждение воды начинается после осенней гомотермии. Холодные поверхностные слои не могут опускаться вглубь, поскольку вследствие аномальной разности плотностей они становятся более легкими. Процесс перемешивания воды в этих условиях возможен лишь при наличии ветрового фактора и течений.
Ледостав на водохранилище наступает при тихой и морозной погоде за одни сутки, при слабом похолодании и без ветра процесс замерзания длится около месяца. Ледяной покров формируется в конце ноября. Его средние сроки— 19 ноября в верхней части водохранилища, 23 ноября — в средней, 26 ноября — в нижней. Вскрывается водохранилище и очищается ото льда на нижнем участке около 18 апреля. Продолжительность ледостава на нем, таким образом, на 35 дней больше, чем на р. Воронеж.
Водохранилище оказывает некоторое влияние на микроклимат прилегающей зоны шириной в несколько сот метров. На левом берегу, зона этого влияния шире, чем на правом, где климат обусловлен формой береговых склонов. Весной наблюдается небольшое охлаждение воздуха вблизи водохранилища (на 1,0—0,3°), осенью, наоборот, повышение (на 0,1 – 0,4°). В летний период днем температура воздуха чуть понижается у берега, ночью — повышается. Влажность воздуха увеличивается в мае — сентябре.
Приходные составляющие водного баланса водохранилища складываются из речного притока и осадков на зеркало. Больше всего притекает речной воды в водохранилище в апреле. В летние месяцы приток воды небольшой. Расходные компоненты — это прежде всего полезный забор воды на хозяйственные нужды, испарение с водной поверхности, а также фильтрация через тело плотины. Остальная часть воды сбрасывается. Самый большой сброс — свыше 1 млрд. м³ воды - наблюдается в апреле.
С целью поддержания в водохранилище нормального для жизни рыбы кислородного режима в разных его точках установлены потокообразователи и гидромониторы. В результате их функционирования содержание в воде кислорода поддерживается на уровне 4 мг/л.
За годы эксплуатации Воронежского водохранилища значительно улучшилось его санитарное состояние, увеличился процент содержания в воде кислорода, вода стала чище. Сейчас она широко используется для орошения. Возрос объем воднотранспортных перевозок. «Большая вода» оказала положительное влияние на градостроительную деятельность — преобразование планировочной структуры города, возникновение крупных зон отдыха, развитие значительных зеленых пространств, строительство набережных. Имеются и нерешенные проблемы развитие рыбного хозяйства, создание лесной защитной зоны вокруг водоема, укрепление берегов от размыва и разрушения, очистка ливневого стока и талых вод, притекающих в чашу водоема. Все эти проблемы должны решаться комплексно. С 1982 г. началась разработка паспорта Воронежского водохранилища.
А.Г. Курдов. «Реки Воронежской области». 1984
