C'est l'une des vallées du haut bassin versant de l'Adour, sur le versant nord des Pyrénées. Elle est formée par trois hautes vallées (vallées de montagne) où se trouvent les sources des trois Adours qui se rejoignent à Sainte-Marie-de-Campan puis à Baudéan pour former le fleuve Adour qui se jette ensuite au-delà de Bagnères-de-Bigorre.
La vallée s'étend du nord-ouest au sud-est, de Sainte-Marie de Campan à Montgaillard.
Les trois hautes vallées (et leurs rivières) sont :
- la vallée de Payolle (Adour de Payolle) ;
- la vallée du Gripp (Adour de Gripp) ; et
- la vallée de Lesponne (Adour de Lesponne).
Il existe de nombreux petits lacs, dont certains sont des réservoirs (lacs artificiels). Le plus grand de ces lacs est le lac Bleu de Lesponne, ou simplement le lac Bleu, d'une superficie de 0,51 km2 (0,20 mi2).
Le Pic du Midi de Bigorre et son observatoire astronomique sont situés dans la vallée de Campan.
Les stations de ski de La Mongie et de Payolle se trouvent également dans cette vallée.