Situé sur le bassin Seine-Normandie, à cheval sur les départements de l'Orne (15%), de l'Eure (40%) et de l'Eure-et-Loir (45%), le bassin versant de l'Avre s'étend sur 970 km² et compte environ 47 000 habitants. Il est drainé par la rivière d'Avre qui prend sa source dans les forêts du Perche Ornais et rejoint l'Eure au-dessus de Dreux. Ce cours d'eau a porté successivement les noms d'Arve fluvius au Moyen-Age, d'Avra à partir de 1300 et fut enfin rebaptisé Avre en 1505.
Son bassin versant s'étire selon un axe incurvé SW-NE. Il présente une dissymétrie en raison de la proximité de l'Iton qui limite son expansion en rive gauche sur ses 2/3 amont.
La rivière prend sa source à 210 mètres d'altitude dans la forêt du Perche à Bubertré dans l'Orne. Elle s'écoule ensuite vers l'est en formant une frontière naturelle entre les départements d'Eure et d'Eure et Loir sur près de 50 km avant de se jeter dans l'Eure à Saint-Georges-Motel à 70 m d'altitude après un parcours de 79 km. Le réseau hydrographique dans sa globalité (bras, biefs et cours d'eau principal) représente quant à lui un linéaire de 191 km.
Cette rivière se caractérise par une disparité marquée de sa morphologie selon que l'on se place en amont ou en aval de Verneuil-sur-Avre.
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Le bassin versant de l'Avre est soumis à un climat océanique tempéré qui se caractérise par une faible variabilité des précipitations sur une année. La période la plus humide est automnale et le régime pluviométrique se traduit plutôt par des épisodes pluvieux de faible intensité mais de longue durée.
Le climat de la vallée de l'Avre est très contrasté. La pluviométrie décroît d'ouest en est, on observe ainsi un gradient de 30% entre la tête de bassin et l'exutoire. Le Perche est ainsi plus arrosé que le pays d'Ouche et surtout le plateau de Saint-André. Les précipitations moyennes annuelles atteignent 850 mm au niveau des sources dans les forêts du Perche alors qu'elles ne sont que de 640 mm à Verneuil et de 600 mm à Dreux.
Sur l'ensemble du bassin, la pluviométrie annuelle moyenne est de 660 mm pour la période 1972-2000 (d'après l'Atlas hydrogéologique de l'Eure).
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Une craie très karstifiée constitue le substratum de la majorité du bassin versant à l'exception de la partie amont où affleurent les sables du Perche, couche géologique plus imperméable du fait de la présence de veines argileuses. Ces terrains du Crétacé supérieur constituent le substratum immédiat, sur lequel reposent les formations superficielles du quaternaire, et dans lequel le réseau hydrographique a taillé sa vallée.
Seule la nappe de la craie est exploitée pour les différents usages de l'eau : alimentation en eau potable, industrie et agriculture. Elle correspond sur le bassin versant de l'Avre à deux masses d'eau différentes : l'aquifère du Cénomanien sableux au sud-ouest et l'aquifère de la craie altérée du Neubourg-Iton-plaine de Saint-André sur tout le reste du bassin versant.
Le bassin versant de l'Avre est un bassin rural, peu urbanisé à l'exception de Verneuil, et de la vallée dans sa partie aval (Nonancourt/Saint-Lubin/Saint-Remy). sur le bassin versant de l'Avre, il existe cinq grands modes d'occupation des sols : les territoires artificialisés, les territoires agricoles, les forêts et milieux semi-naturels, les zones humides et les surfaces en eau :
