De volgende gemeenten liggen in het werkgebied van het waterschap: Amersfoort, Barneveld, Baarn, de Bilt (gedeeltelijk), Bunschoten - Spakenburg, Ede, Eemnes, Leusden, Nijkerk, Putten (gedeeltelijk), Renkum, Renswoude, Rhenen (gedeeltelijk), Scherpenzeel, Soest, Utrechtse Heuvelrug, Veenendaal, Wageningen, Woudenberg en Zeist (gedeeltelijk).
Het beheersgebied van Waterschap Vallei & Eem ligt tussen twee hooggelegen stuwwallen. Aan de westkant de Utrechtse Heuvelrug en de Veluwe in het oosten. De Nederrijn vormt de zuidgrens en aan de noordkant houdt het waterschap bij de randmeren op. De grenzen van een waterschap vallen samen met de grenzen van een stroomgebied.
Vanaf de stuwwallen stroomt het overtollige water naar de lager gelegen Vallei. Daar stroomt het water via een fijn vertakt stelsel van beken en de Eem uiteindelijk naar de randmeren. De rivier de Eem en het Valleikanaal zijn de belangrijkste aders in het gebied van Waterschap Vallei & Eem.
