Le bassin versant est défini comme l'aire de réception des précipitations pour un cours d'eau et ses affluents. Sa délimitation ne respecte pas les limites administratives mais correspond aux limites naturelles du réseau hydrographique (les lignes de crêtes).
La Sarthe prend naissance à une altitude de 260 m sur le plateau calcaire de Mortagne à Moulins-la-marche, dans le département de l'Orne.
Le bassin versant présente une superficie d'environ 2882 km².
Les principaux affluents de la Sarthe en amont de Mans sont :
Le linéaire total de cours d'eau est d'environ 2680 km.
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