Dès sa naissance, son cours dessine un immense U géographique : il s'écoule d'abord vers le sud sur un haut plateau, formant des gorges profondes, puis bifurque vers l'ouest avant de remonter vers le nord, traversant l'oasis de Calama, pour enfin s'incurver une dernière fois vers l'ouest, franchir la cordillère de la Costa par un canyon de 500 mètres de profondeur, et se jeter dans l'océan. Avec un bassin hydrographique de plus de 33 570 km², le Loa est également la plus grande cuvette du pays et la seule à être exoréique (se déversant dans l'océan) dans la région d'Antofagasta.

Le régime hydrologique du Loa est principalement pluvial, et son débit, très faible pour un fleuve de cette longueur, est caractérisé par une augmentation pendant les mois d'été (janvier-février), un phénomène connu sous le nom d'"hiver bolivien" qui correspond aux précipitations sur l'Altiplano. Son débit moyen est d'environ 2,43 m³/s, et à hauteur de la ville de Calama, il tombe à seulement 5 m³/s, ce qui le rend totalement non navigable. Cette aridité extrême a pourtant permis, tout au long de son parcours, la formation d'oasis vitaux comme ceux de Chiu Chiu, Calama ou Quillagua, où la présence d'eau douce en amont, avant la confluence avec des affluents salés comme le río Salado, rend possible la vie et certaines cultures.

Sur le plan historique et culturel, le Loa est parfois décrit comme un musée à ciel ouvert. Ses rives sont jalonnées de géglyphes, de pétroglyphes et de pictogrammes qui témoignent d'une occupation humaine millénaire, bien avant l'expansion de l'empire Inca, pour qui la vallée constituait une route stratégique pour le trafic régional et interrégional. On y trouve des vestiges comme le Pukará de Lasana, une forteresse préhispanique, et le viaduc de Conchi, un pont ferroviaire historique de 104 mètres de haut, l'un des plus élevés du Chili. À l'époque républicaine, le fleuve a marqué des frontières changeantes, servant un temps de limite entre le Chili et le Pérou, puis entre le Chili et la Bolivie, et fut le théâtre de combats lors de la guerre du Pacifique.

Aujourd'hui, le Loa est au coeur de tensions environnementales et sociales aiguës. Il est considéré comme le fleuve le plus pollué du Chili, notamment par les déchets conventionnels et les microplastiques, avec des taux de contamination plastique pouvant atteindre près de 96 % des déchets flottants, un chiffre alarmant lié à l'absence de régulation et à la pression urbaine. Mais la menace principale provient de l'industrie minière, omniprésente dans la région. Les eaux du Loa, dont la qualité est déjà dégradée par une teneur naturelle élevée en arsenic et en sels, sont massivement utilisées pour les opérations d'extraction de cuivre et de lithium, ce qui aggrave sa salinité et sa contamination chimique. Cette situation a conduit à une redéfinition de l'usage de l'eau : considérée comme impropre à l'agriculture en aval, elle est socialement et juridiquement construite comme une "eau de moindre qualité", destinée prioritairement aux besoins industriels, ce qui crée des inégalités d'accès profondes pour les populations locales et autochtones.

Cette exploitation minière intensive est à l'origine de conflits récurrents, comme en témoignent les mouvements citoyens et les protestations sous des slogans tels que "l'eau vaut plus que le lithium". À ces défauts de qualité s'ajoute une dimension géopolitique avec un différend international, porté devant la Cour internationale de justice, concernant le détournement des eaux de la rivière Silala, un affluent du Loa prenant sa source en Bolivie, illustrant la valeur stratégique de chaque ressource hydrique dans cette région désertique où le fleuve, malgré son faible débit, demeure le garant de la survie des oasis, de l'approvisionnement en eau potable et de la production hydroélectrique pour les mines.