Son cours supérieur entaille profondément les calcaires durs du plateau de Langres, formant une vallée très encaissée qui contraste avec les paysages plus ouverts de l'aval. À hauteur du village de Belan-sur-Ource, la rivière perce la côte calcaire du Châtillonnais, offrant un site pittoresque où le village est encadré d'escarpements rocheux de 30 mètres de haut, couverts de chênes et de hêtres. Le lit de l'Ource, parsemé d'îles et bordé de saules et de peupliers, dessine un paysage caractéristique des hauts plateaux bourguignons, à la fois austère et reposant. La vallée, dans sa partie aval, appartient à la Côte des Bar, la région la plus méridionale du vignoble de Champagne, où les coteaux couverts de vignes alternent avec les forêts.

Malgré un cours relativement long, le bassin versant de l'Ource est modeste, ne couvrant que 737 kilomètres carrés en raison de la faiblesse de son réseau tributaire . Ses affluents sont peu nombreux et de faible longueur : l'Arce et la Groème rejoignent la rivière à Recey-sur-Ource, la Digeanne, longue de 28 kilomètres, constitue le plus important de ses tributaires et conflue à Voulaines-les-Templiers, tandis que le Landion, le ruisseau des Ainguets et le ru de Noë viennent grossir ses eaux sur sa rive droite. Cette configuration explique un débit modeste à la confluence, avec un module de 8,6 mètres cubes par seconde à Bar-sur-Seine.

Le régime hydrologique de l'Ource est de type pluvial océanique, marqué par des fluctuations saisonnières bien prononcées. Les hautes eaux s'observent en hiver et au début du printemps, de décembre à avril, avec des débits mensuels moyens compris entre 11,6 et 18,4 mètres cubes par seconde, le maximum étant atteint en février. À partir du mois de mai, le débit diminue rapidement pour aboutir aux basses eaux estivales : de juillet à septembre, le débit mensuel moyen tombe à 3,12 puis 1,9 mètre cube par seconde. Les étiages peuvent être sévères, le VCN3 (plus petite moyenne sur trois jours consécutifs) chutant jusqu'à 220 litres par seconde en période quinquennale sèche. Les crues, en revanche, peuvent être importantes pour un cours d'eau de cette taille : le QIX 10 atteint 86 mètres cubes par seconde, et le QIX 50 culmine à 120 mètres cubes par seconde, des valeurs comparables à celles de rivières beaucoup plus puissantes comme l'Eure en fin de parcours. Le débit maximal enregistré à Celles-sur-Ource durant 26 ans d'observation a été de 89,1 mètres cubes par seconde le 2 janvier 1991. La lame d'eau écoulée dans le bassin est de 371 millimètres annuellement, un chiffre nettement supérieur à la moyenne du bassin de la Seine (environ 240 millimètres), ce qui témoigne de précipitations abondantes, particulièrement sur la partie amont du bassin.

Le patrimoine bâti qui jalonne la vallée témoigne de la richesse historique de ce territoire. À Grancey-sur-Ource, village qui comptait plus de 1200 habitants en 1855, l'hôtel de ville fut construit en 1848 à l'emplacement de l'ancienne église démolie vers 1830, tandis que l'église actuelle, édifiée entre 1832 et 1837 par un architecte châtillonnais, impressionne par ses dimensions démesurées, reflet des ressources financières que le village tirait alors de sa viticulture, de son agriculture et de son industrie (tréfilerie, tuilerie, moulin). Le Val des Dames, ancien ermitage dépendant de l'abbaye de Molesme situé en pleine forêt à deux kilomètres du village, conserve la mémoire d'un épisode historique : en février 1429, une jeune fille déguisée en chevalier, Jeanne d'Arc, s'y arrêta une nuit alors qu'elle se rendait de Vaucouleurs à Orléans pour y trouver le roi Charles VII . Un chêne, disparu aujourd'hui, fut baptisé "le chêne de la pucelle". Plus récemment, en 1870, après l'affrontement entre francs-tireurs et Prussiens à Autricourt, un soldat prussien blessé fut soigné au château de Grancey, ce qui sauva le village de la destruction; en reconnaissance, les habitants souscrivirent à la construction de la chapelle Notre-Dame-de-Beauregard, surmontée d'une statue de la Vierge tenant une grappe de raisin et une gerbe de blé, emblèmes du territoire viticole et céréalier.