Žiarskou kotlinou, a zároveň aj mestom Žiar nad Hronom preteká rieka Hron. Dĺžka stredného toku Hrona je asi 60 km. Najvýznamnejším prítokom z pravej strany je Lutilský potok, ktorý sa vlieva do Hrona v blízkosti mesta pred Šibeničným vrchom. Dĺžka toku je 19 km.
Žiarska kotlina, v ktorej leží Žiar nad Hronom, a tiež okolité obce, má rozlohu asi 109 km2. Je obklopená výbežkami pomerne vysokých pohorí: Vtáčnik (1346 m n. m.), Kremnické vrchy (Suchá Hora 1232 m n. m.) a Štiavnické vrchy (Sitno 1010 m n. m.). Nadmorská výška mesta pri železničnej stanici na ľavom brehu Hrona je 243,73 m n. m.
Územie Žiarskej kotliny patrí k západokarpatskému vulkanickému oblúku. Leží v stredoslovenských neogénnych vulkanických útvaroch. Predstavuje tektonickú depresiu medzi okolitými pohoriami. Jej výplň tvoria mocné súvrstvia tufitov, ílovcov a zlepencov s tenkými vložkami uhlia. Okolité kopce a pohoria sú vybudované z ryolitov, andezitov a čadičov. Údolná niva Hrona je zo štrku, piesku, hlín a svahových sutín.
Žiarska kotlina leží v teplej, mierne vlhkej oblasti s miernou zimou. Priemerný ročný úhrn zrážok je približne 700 mm, výpar 450 - 500 mm. Priemerná ročná teplota je 8 - 9 C°. Okolité lesy sú väčšinou bučiny s premiešaným smrekom alebo borovicou, v niektorých lokalitách sa vyskytuje aj dub zimný alebo javor.
Žiarska kotlina nemá osobitné zvieratstvo, ale vyskytujú sa tu skoro všetky druhy zvierat a vtáctva stredného Slovenska. Osobitnú pozornosť si zaslúži chov a lov rýb v mŕtvom ramene rieky Hron. Rybársky zväz po dokončení regulácie rieky Hron zriadil od roku 1960 v mŕtvom ramene rybník. Hlavné chovné ryby sú kapor, šťuka a zubáč. Žijú tu aj ondatry, vydry, divé kačice a divé sliepky. Voda do rybníka priteká popod Hron z Lutilského potoka.