Река Большой Черемшан зарегистрирована в Государственном Водном Реестре под кодом 11010000412112100004728. Относится к Нижневолжскому бассейновому округу. Река берёт начало на границе Республики Татарстан и Самарской области, впадает в Куйбышевское водохранилище у г. Димитровграда. Речной бассейн: Волга от верховий Куйбышевского водохранилища до впадения в Каспий. Водохозяйственный участок: Большой Черемшан от истока до устья. Согласно ГВР РФ длина водотока 336 км. Водосборная площадь 11500 км² – 12-й по длине и 13-й по площади бассейна приток Волги. В связи с созданием Куйбышевского водохранилища изменились гидрографические характеристики реки Большой Черемшан, в частности современная ее протяженность составляет 292.8 км, а водосборная площадь равна 11521.4 км². Основные притоки: Большая Сульча, Малый Черемшан (правые); Кармала (левый). Бассейн в основном расположен в пределах низменного Заволжья, хотя истоки реки находятся на западном склоне Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Климат бассейна континентальный, засушливый. Средние температуры января составляют -13°С, июля – +21°С. Средний слой осадков 470 мм/год. Преобладает растительность лесостепей на серых лесных и дерново-подзолистых почвах. Распаханность территории 51.2%. Лесистость бассейна 30%.

Водосбор р. Большой Черемшан представляет собой волнистую, слегка всхолмленную равнину, умеренно расчлененную долинами притоков, оврагами и балками, со средней высотой 143 м. От истока до села Черемшан река течет по практически безлесной местности (особенно левобережье), а ниже села по правому берегу реки появляются леса, которые сохраняются вплоть до г. Димитровграда. В верхнем течении водосбор характеризуется наличием полной согласованности крупных форм рельефа с тектоникой и проявлением влияния денудации, чьи сочетания и определяют современный облик территории. Водоразделы поднимаются над долинами притоков на высоту 100-150 м. Самое высокое место (347 м) отмечено на северо-востоке водосбора, на юго-западных отрогах Бугульминско-Белебеевской возвышенности. Здесь и берет начало река Большой Черемшан. Отсюда поверхность водосбора имеет основной наклон на запад, юго-запад, по направлению к долине Волги, согласно которому текут и реки. Территория водосбора в среднем течении представляет собой эрозионно-денудационную поверхность плиоцен-плейстоценового и четвертичного возраста, лежащую на абсолютных отметках 160-190 м. Современных долин немного, врезаны они неглубоко. Можно отметить, что овражная сеть в 7-10 раз меньше, чем в Предволжье на той же широте. Район расположен в пределах двух основных тектонических структур пермского возраста − Мелекесской депрессии (западная часть) и Сокско-Шешминского вала. Амплитуда погружения пермских отложений от Сокско-Шешминского вала до наиболее погруженной части Мелекесской депрессии в пределах физико-географического района свыше 300 м.