Lokalizacja Dolina Noteci obejmuje fragment Pradoliny Toruńsko-Eberswaldzkiej, począwszy od zachodnich przedmieść Bydgoszczy (Prądy) na wschodzie, po Wieleń na zachodzie. W odróżnieniu od Doliny Środkowej Noteci i Kanału Bydgoskiego (obszaru OSO) obszar Dolina Noteci obejmuje nie tylko dno pradoliny, lecz również fragmenty jej zboczy, zwłaszcza północnej krawędzi, na styku z Pojezierzem Krajeńskim.
Dolina jest położona na terenie dwóch województw i siedmiu powiatów: czarnkowsko-trzcianeckiego, pilskiego, chodzieskiego, wągrowieckiego, nakielskiego, bydgoskiego i miasta Bydgoszczy.
Ogólna charakterystyka obszaru W zachodniej części chronionego obszaru płynie rzeka Noteć, zaś we wschodniej (od Nakła do Bydgoszczy) – Kanał Bydgoski, wybudowany w 1774 r., łączący dorzecza Odry i Wisły.
Część obszaru zajmują torfowiska niskie pokryte przez zalewowe łąki i trzcinowiska. Wyspowo występują zarośla i zadrzewienia. Na zboczach doliny znajdują się płaty muraw kserotermicznych. W okolicach Goraja, Pianiówki i Góry oraz Ślesina występują lasy: buczyny i dąbrowy, w tym m.in. ciepłolubne dąbrowy i grądy zboczowe. Teren przecinają kanały i rowy odwadniające. Liczne są zbiorniki astatyczne – starorzecza i torfianki. Miejscami występują rozległe płaty lasów łęgowych.