Anticamente solcata dal fiume Clanis (dal latino "clinus", clinato, in pendenza), antico affluente del Paglia, a sua volta tributario del Tevere, la Val di Chiana è oggi attraversata dai due corsi d'acqua che ne derivano: il Canale Maestro della Chiana e il Chiani. Il primo attraversa gran parte della valle e ripercorre circa i due terzi dell'antico corso del Clanis, ma in direzione opposta, cioè da sud verso nord: il Canale nasce dal Lago di Chiusi, costituisce l'immissario e l'emissario del vicino Lago di Montepulciano e, dopo circa 45 km, si getta sull'Arno in corrispondenza della Chiusa dei Monaci, presso Ponte Buriano, nel comune di Arezzo. Il secondo, invece, percorre il tratto finale dell'antico corso del Clanis e si getta nel Paglia presso Orvieto.

Gli altri corsi d'acqua sono per lo più a regime torrentizio, sovente soggetti a periodi di magra durante l'estate, mentre dalla discreta portata d'acqua negli altri periodi dell'anno. I loro corsi sono brevi e nascono da sorgenti nelle montagne prospicienti per poi gettarsi nei fiumi maggiori.

La Val di Chiana senese comprende il territorio della Provincia di Siena situato all'interno dei comuni di:

Cetona
Chianciano Terme
Chiusi
Montepulciano
San Casciano dei Bagni (in parte)
Sarteano
Sinalunga
Torrita di Siena
Trequanda

Trattasi dei Comuni che fino al 1554 appartenevano alla Repubblica di Siena. Ad eccezione di San Casciano dei Bagni e Sarteano, tutti i Comuni dell'odierna Val di Chiana senese erano ricompresi nel Compartimento Aretino del Granducato di Toscana. Nel 1860, con l'unità d'Italia, furono annessi alla Provincia di Siena.