На востоке Ферганской долины, стекая с Алайского и Ферганского хребтов (территория Кыргызстана), сливаются реки Нарын и Карадарья, образуя самую длинную реку Средней Азии – Сырдарью. Преодолевая ущелья и долины Фархадских гор, Сырдарья протекает по Голодной степи, а далее – по северной окраине песков Кызылкум. Впадает с Малый Арал. Русло реки пролегает по территориям Узбекистана, Таджикистана и Казахстана.
В древнегреческих источниках Сырдарья фигурировала как Танаис (как и Дон), позже называлась Яксарт. Нынешнее название – таджикского происхождения.
Водный режим Сырдарьи очень зависит от притоков. Большинство притоков верхнего и среднего течения (Ахангаран, Чирчик, Келес, Арыс) питаются весенними талыми водами. Пойменная долина Сырдарьи низкая, местами заболоченная. В среднем течении образует протоки, заросли тугайных лесов, камыша и тростника. В районе города Казалинска река распадается на рукава большой болотистой дельты. Большая часть долины Сырдарьи – это равнинные берега среди полупустынной местности.
Сырдарья, как и Амударья, вследствие интенсивного использования водных ресурсов человеком под нужды сельского хозяйства и обеспечения деятельности горно-обогатительных заводов потеряла 90% стока в устье. Это стало причиной обмеления Аральского моря и опустынивания дельты реки. Сырдарья и её притоки на протяжении веков имели стратегическое значение для хозяйства региона. Огромное количество оросительных каналов способствовало высокой производительности бахчеводства и хлопководства в Ферганской долине. Однако необдуманная деятельность человека в 20 веке повлекла необратимые последствия для экологической системы огромного региона.
Регулировка уровня воды осуществляется несколькими гидроэлектростанциями: Кайракумской (в Таджикистане), Шарадринской и Коксарайской (в Казахстане), а также за счёт искусственного озера Айдаркуль.
Главным туристическим центром долины Сырдарьи можно считать Худжант, древний город в Таджикистане со старой крепостью и несколькими старинными достопримечательностями. Также интерес представляет город Байконур, обслуживающий одноимённый космодром.