La cuenca del río Lluta comprende una superficie de 3.479 km² y limita al norte con la cuenca de la quebrada La Concordia y la frontera con Perú, al este con la cuenca del río Caquena, al sur con la cuenca del río San José y al oeste con el océano Pacífico.

El río Lluta nace de la confluencia de los ríos Azufre y Caracarani en Humapalca a 3.900 msnm. En la parte alta y media de la cuenca, los afluentes principales son los ríos Colpitas y Putre, respectivamente. Entre Poconchile y la desembocadura al mar, los afluentes de mayor relevancia son las quebradas Cementerio, del Diablo y Mollepampa. El río Lluta tiene una longitud de 150 km y presenta un escurrimiento de carácter permanente.