충주분지는 남한강과 요도천(堯度川)·달천(達川)이 합류하는 곳에 형성된 분지이다. 분지의 동쪽과 남쪽은 계명산(鷄鳴山, 775m)·남산(436m) 등 400∼700m의 산지로 막혀 있고, 서쪽은 300m 내외의 비교적 낮은 산지로 둘러 싸여 있다.
충주분지를 지나는 구조선은 달천이 흐르는 남북 방향, 요도천과 충북선이 지나가는 서북서∼동남동 방향이며, 분지의 북쪽에도 이와 평행한 방향의 구조선이 지나간다. 충주분지는 풍화에 약한 화강암 지역에 이들 구조선이 교차하여 침식이 집중적으로 이루어져 형성된 침식분지이다.
분지저의 지질은 백악기 경상계 불국사통의 흑운모 화강암이며, 그 위를 제4기 충적층이 덮고 있다. 배후산지는 흑운모 석영편마암과 편암 등 경암으로 구성되어 있다.
분지저의 해발고도는 달천과 남한강이 흐르는 서쪽이 60∼100m 정도이다. 높은 배후산지를 뒤로 하고 있는 동쪽은 완만한 사면이 100∼300m 사이에 전개되는데, 배후산지와는 200∼300m에서 경사가 급격히 변한다.
완사면의 말단부와 달천 범람원의 경계부인 분지 중앙에는 충주 시가지가 입지한다. 동쪽의 계명산과 남산의 산록에는 사과 과수원 내지 밭농사가 이루어지며, 서쪽의 범람원에는 논농사가 이루어진다. 농산물로는 주곡을 비롯하여 채소·과실·목화·인삼·대마·잎담배 등이 생산된다.
달천과 남한강을 따라 나타나는 취락과 과수원 및 밭농사 지역은 이 두 하천의 자연제방과 하안단구에 해당한다. 특히 탄금대(彈琴臺)는 신라로 귀순한 대가야의 우륵(于勒)이 가야금을 탄 곳으로 전해지는데, 정상부가 평평한 낮은 언덕으로 이 또한 남한강의 하안단구이다.
역사적으로 충주는 남한강의 수로와 조령(643m)을 넘어 영남지방으로 통하는 육로가 만나는 군사적 요충지였다. 현재도 교통의 요지로 중부내륙고속국도와 평택제천고속국도가 만나고, 충북선이 경부선과 중앙선을 연결하고 있다.