Žiarska kotlina sa nachádza na strednom toku Hrona, tiahne sa po jeho pravej strane zo severovýchodu na juhozápad. Jej rozloha je približne 110 km2. Ohraničujú ju pomerne vysoké pohoria – Vtáčnik, Kremnické a Štiavnické vrchy. Územie Žiar-skej kotliny patrí k západokarpatskému vulkanickému oblúku, leží teda v stredo-slovenských neogénnych vulkanických útvaroch a predstavuje tektonickú depresiu medzi okolitými pohoriami. Jej výplň tvoria súvrstvia tufitov, ílovcov a zlepencov s tenkými vložkami uhlia. Vo východnej časti kotliny sa vyskytujú limnokvarcity, ktoré vznikli vyzrážaním z hydrotermálnych prameňov pri doznievaní ryolitovej fázy sopečnej činnosti. Spomenuté okolité pohoria sú utvorené z výlevných magma-tických hornín – ryolitov, andezitov a čadičov (tieto sú charakteristické stĺpovitou odlučnosťou). Vyskytuje sa tu aj vulkanické sklo – perlit. Výlevné magmatické horniny sa často striedajú s pyroklastickým materiálom (sopečný piesok a sopečný popol) premeneným na tufy a tufity. Údolná niva Hrona je vybudovaná zo štrku, piesku, hlín a svahových sutín.
Žiarska kotlina patrí do skupiny kotlín, kde sa už zriedkavejšie nachádzajú hnedozeme. Prevládajú tu ilimerizované až oglejené pôdy, ktoré sa občas striedajú s hnedými lesnými pôdami. V úrodnej nive Hrona sa nachádzajú nivné pôdy, ktoré pri zvýšenej hladine rieky bývajú zamokrené.
Vegetačný kryt je v súčasnosti poznačený činnosťou človeka. Všetka orná pôda bola už dlhý čas obhospodarovaná. Okolité lesy sú najčastejšie bukové, premiešané s dubmi, smrekmi, borovicami, alebo hrabmi – pôvodná lesná prikrývka sa zmenila. Žiarska kotlina nemá osobitné zvieratstvo, vyskytujú sa tu skoro všetky druhy zvierat a vtáctva, ktoré žijú na strednom Slovensku. Nadmorská výška sa tu pohybuje približne okolo 225 m. n. m. Najnižšie je položená južná časť kotliny 198 m. n. m. (Brehy).
Žiarska kotlina leží v teplej, mierne vlhkej oblasti s miernou zimou, je teda teplejšia a suchšia ako okolité pohoria – priemerná ročná teplota sa pohybuje približne okolo 7,8°C a ročný priemer zrážok je približne 635 mm.
Kotlinou preteká a zároveň odvodňuje rieka Hron v dĺžke približne 60 km. Jeho prítoky sú len potoky. Maximálny stav vody v Hrone býva v apríli.