Тункинская долина является составной частью Байкальской рифтовой зоны. Постепенно повышаясь, долина протянулась с востока на запад на 190 км. Южное крыло впадины — пологое, переходящее в горы Хамар-Дабана и отроги Хангарульского хребта. Северное — высокий крутой сбросовый уступ Тункинских Гольцов.
Тункинская впадина включает шесть отдельных котловин: Быстринскую, Торскую, Тункинскую, Туранскую, Хойтогольскую, Мондинскую. Они располагаются цепочкой и отделяются друг от друга горными перемычками с высотами 150—600 м, которые прорезают долины Иркута и Ехэ-Угуна.
В долине преобладают степные и лесостепные ландшафты.
В Тункинской долине развита озёрная сеть. Особо много озёр к западу от села Аршан — здесь расположены озёра Койморские.
Тункинская долина славится своими минеральными источниками. Прежде всего это Аршанские минеральные источники, Новый Жемчуг, Ниловские горячие источники.
Своё название долина получила по названию села Тунка, которое имеет давнюю историю и долгое время было крупнейшим населённым пунктом в долине. Сейчас административный центр Тункинского района Республики Бурятия и самое крупное село тут — Кырен.