Das Altmühltal beginnt mit der Quelle der Altmühl an der Frankenhöhe nordwestlich von Leutershausen und endet in Kelheim an der Donau bei Regensburg. Die oberen drei Viertel des Tals liegen im Regierungsbezirk Mittelfranken. Ein Stück fließt die Altmühl durch den Landkreis Eichstätt im Regierungsbezirk Oberbayern. Ein kleiner Teil gehört zum Regierungsbezirk Oberpfalz, die Mündung zu Niederbayern.

Oberhalb von Treuchtlingen ist das Tal eine breite Senke, die sich zwischen nicht sehr hohen bewaldeten Bergrücken von Nordwest nach Südost erstreckt. Ab und an sind bei Hochwasser der Altmühl größere Ackerflächen überflutet, manchmal auch Teile des Altmühlradwegs. Ortsnamen wie Herrieden und Großenried weisen auf die Feuchtgebiete hin. Hier wurde zwischen Ornbau und Gunzenhausen als Wasserreservoir für den Main-Donau-Kanal der Altmühlsee angelegt, der auch als Freizeitgebiet genutzt wird und ein bedeutendes Vogelschutzgebiet ist. Das hier abgezweigte Wasser wird durch einen Tunnel in Richtung Schwäbische Rezat geleitet. Das natürliche Tal jenes Flusses zweigt bei Treuchtlingen vom Altmühltal ab. Dort gibt es also eine Talwasserscheide. An ihr hatte schon Karl der Große (erfolglos) den Bau eines Schifffahrtskanals, der Fossa Carolina, versucht. Zwischen Ornbau (Landkreis Ansbach) und Treuchtlingen (Landkreis Weißenburg-Gunzenhausen) fällt der Fluss nur um wenige Höhenmeter. Somit gehört er zu den trägsten Fließgewässern Europas.
Bei Kinding kreuzt die A9 das Tal. Die parallel dazu geführte ICE-Trasse Ingolstadt-Nürnberg verläuft hier größtenteils in Tunnels. Von Dietfurt an der Altmühl bis zur Mündung der Altmühl in die Donau wurde der Charakter des Tals durch den umstrittenen Bau des Main-Donau-Kanals stark verändert. Weite Teile des Altmühltals sind Naturschutzgebiete im Naturpark Altmühltal.

Im Jahr 2002 wurden mehrere Geotope im Altmühltal vom Bayerischen Umweltministerium mit dem offiziellen Gütesiegel „Bayerns schönste Geotope“ ausgezeichnet: Das Jura-Profil am Arzberg, der Burgstein bei Dollnstein, der Zwölf-Apostel-Felsen und die Solnhofener Plattenkalke. Im Jahr 2006 erfolgte die Aufnahme in die Liste der 77 ausgezeichneten Nationalen Geotope Deutschlands.