La cuenca del río Lempa abarca tres países: Guatemala, Honduras y El Salvador. Los nacimientos de dicho río se encuentran en la zona sureste de Guatemala y al suroeste de Honduras, a una elevación aproximada de 1,500 m.s.n.m., pero el recorrido principal del río Lempa, incluyendo su desembocadura en el Océano Pacífico, está en El Salvador.

El área total de la cuenca del río, es de aproximadamente 18,240 km2, de los cuales 10,215 km2 (56%) están en El Salvador; 5,472 km2 (30%) en Honduras; y, 2,553 km2 (14%) en Guatemala.

Después de entrar a El Salvador, el río Lempa fluye generalmente en dirección suroeste para encontrarse con el río Desagüe que es su mayor afluente, en un punto cercano a la ciudad de Masahuat. El río Desagüe es la salida del lago Güija, el cual se extiende a través de la frontera entre El Salvador y Guatemala.

A partir de la ciudad de Masahuat, el río Lempa fluye en dirección sur por 18 km, desviándose luego hacia el este y recorriendo 85 km hasta que alcanza y forma una porción con la frontera entre El Salvador y Honduras. Los grandes tributarios que entran al río Lempa son: el río Suquiapa, río Sucio, río Acelhuate y el río Quezalapa por el sur; y el río Metayate, río Grande y río Sumpul por el norte. Este tramo del río es usualmente definido como la parte alta del río Lempa, y el resto del río está definido como la parte media-baja del río Lempa. Otros ríos afluentes del río Lempa son el Mocal y el Guarajambala, pertenecientes a Honduras.

El río Torola, el cual forma parte de la frontera El Salvador-Honduras, entra al río Lempa aproximadamente a 50 km aguas abajo de la Central Hidroeléctrica 5 de Noviembre. Desde este punto, el río Lempa fluye en la dirección sur por unos 105 km en territorio salvadoreño, antes de entrar al Océano Pacífico.

La cuenca alta del río Lempa, en territorio salvadoreño, tiene un área de 5,437 km2. En su zona norte la topografía es escarpada y se encuentra cubierta por matorrales, vegetación arbustiva y arborescente perennifolia y caducifolia, conformadas por diferentes especies. Las áreas naturales con cobertura boscosa de esta zona se encuentran principalmente en el Trifinio y otras cercanas al lago de Güija. La zona sur de la cuenca alta se caracteriza por contener el 35% de la población de El Salvador, concentrada principalmente a lo largo de los ríos Suquiapa, Sucio y Acelhuate.

La cuenca media-baja del río Lempa, en territorio salvadoreño, tiene un área de 4,778 km2 y se caracteriza por una topografía con pendientes moderadas y elevaciones que no pasan de los 1,000 m.s.n.m.

Las tierras bajas son resultado de las deposiciones de los ríos, por lo que poseen un alto potencial agrícola. Desde el punto de vista bioclimático, la cuenca media-baja del río Lempa contiene bosques secos en transición a bosques húmedos. La cuenca media-baja se encuentra drenada por varios ríos tributarios, además de aquellos drenajes que sólo acarrean agua durante la estación lluviosa.