Das Vallée de Joux erstreckt sich über eine Länge von rund 20 km in Südwest-Nordost-Richtung. Es besitzt einen meist 1 bis maximal 1.5 km breiten flachen Talboden, während das gesamte Talbecken (mit den angrenzenden Hängen) etwa 4 bis 5 km breit ist. Das Tal bildet eine Synklinale, die im Südosten durch die Falten (Antiklinalen) der Mont-Tendre-Kette, im Nordwesten durch diejenigen der Risoux-Kette flankiert wird. Der nordöstliche Talabschluss ist gekennzeichnet durch die Dent de Vaulion und die Hügelkette des Col du Mont d'Orzeires, die durch eine Blattverschiebung im System der Juraketten in ihre heutige Lage verschoben wurden. Im Südwesten gilt die schweizerisch-französische Staatsgrenze als willkürliche Abgrenzung; gelegentlich wird jedoch auch der oberste Teil des Einzugsgebietes der Orbe mit dem Lac des Rousses zum geographischen Raum des Vallée de Joux gezählt.

Das Hochtal wird von der Orbe durchflossen, die in der moorigen Niederung zahlreiche Mäander bildet. Der nordöstliche Teil des Tales wird vom Lac de Joux und vom Lac Brenet eingenommen. Ersterer ist der grösste See des Juras, der nur dadurch auf den porösen Kalkschichten entstehen konnte, weil eiszeitliche Juragletscher den gesamten Talboden durch Lehmablagerungen abgedichtet hatten. Damit wurde der Talboden bis auf wenige Stellen wasserundurchlässig, so dass sich der See und die angrenzenden Moorgebiete entwickeln konnten. Das Vallée de Joux besitzt keinen oberirdischen Abfluss, da das Wasser früher durch die Versickerungstrichter (Entonnoirs) in den Untergrund verschwand. Heute dienen der Lac de Joux und der Lac Brenet als Speicherbecken des Kraftwerks Vallorbe. Wesentlich kleiner als diese beiden Seen ist der Lac Ter, der sich in einer Senke zwischen der steil aufgestellten Kalkrippe Le Revers und der Risoux-Kette befindet.