Пиротска котлина је пространо улегнуће у земљиној кори и специфичан геопростор на југоистоку Србије у тектонском рову композитне долине-потолине горњег Понишавља. Шире гледано она је смештена у централној области Балканског полуострва, која је у ствари трапез којег чине линије које спајају на карти Ниш, Софију, Скопље, Косовску Митровицу.
Као део Нишавске долине истог морфолошког типа, Пиротска котлина међутим представља индивидуалну целину и одвојен географски предео, који почиње на истоку од Димитровградске котлине, и на западу се наставља Белопаланачком котлином, чинећи котлину која по површини (- km²) и броју становника (57.922) спада међу веће географске просторе ове врсте у Југоисточној Србији.
Пиротска котлина је са свих страна окружена планинским венцима који припадају источној зони млађих веначних планина које улазе у састав карпатско балканског планинског лука. То су Стара планина (2.169 m), Сува планина (1.808 м), Сврљишке планине (1.334 м), Влашке планине и планина Видлич.Ћирић М. Пирот кроз околину и град, Пирот, 1967.
На основу физичко-географских, друштвено-географских и демографских карактеристика, Пиротска котлина је сложени развојни систем, у коме централно место заузимају град Пирот и сеоска насеља са својом инфраструктуром и највећим ресурсима у плодном земљишту. Иако је претежно уоквирена високим брдско-планиниским ободом, Пиротска котлина је у повољној комуникативној вези са суседним котлинама, захваљујући највише долинама Нишаве и Јерме.Grupa autora, Geografske odlike niškog područja, Položaj i prostranstvo U: Istorija Niša, knjiga I, Gradina, Niš 1986 pp. 11.
Данас се Пиротска котлина налази на важном интерконтиненталном путу који спаја Средњу Европу и Малу Азију, а њена претеча и највеће насеље Пирот, подигнуто је на месту римског утврђења Turres (3. век) и утврђеног византијског градића Quimedava (4. век), на главном римском војничком путу — Via Militaris — од Сингидунума за Визант, и укрштању месних саобраћајница (Високо, Лужница, Књажевац Лесковац), у подножју кречњачког узвишења Сарлах, који се као рт увлачи у северозападни део котлине.
Положај и пространство Пиротска котлина представља удолину реке Нишаве која тече између јужних падина Сврљишких планина и Суве планине. Ова композитна, полигенетска долина предиспонирана је главним нишавским раседом дуж којег су стваране потолине Нишке и Белопаланачке котлине.Костић, М. (1967). Нишка котлина. Београд: Географски институт „Јован Цвијић”, Посебна издања, књ. 21. Раседним линијама и зонама одређен је правац усецања реке Нишаве, најпре језерским отоком, касније, наслеђеном долином Нишаве, насталом њним усецањем у централну језерску раван. Нишава је у том делу меандрирала кроз пиротском котлину због малог пада, и променљивих количина воде, па њено усецање у језерске седименте текло неуједначено и етапно. Тако су на странама њене долине заостали трагови плио-квартарних, наслага насталих као остатаци некадашњих језерских тераса, које је већим делом еродовала Нишава, стварајући шест алувијалних равни, или речних терасе.Protić M., Petković K. i Milojević S: 1931. Geološka karta list Pirot 1:100.000, Izdanje Geol. inst. kralj. Jugoslavije, Beograd. 600п|безоквира|центар Северни део котлине на територији Пирота виши је од јужног. Простор јужно од града познат је под називом Барје. До 1927. године представљао је мочвару. После мелорационих радова, терен је ослобођен сувишних вода и приведен култури. Барје је данас под водом само после јачих пролећних и јесењих киша и наглог отопљавања снега. Поплаве настају услед изливања Расничке реке, Бистрице и Рогоза. На већем делу ове депресије до воде се долази на дубини од 0,5 до 1,5 m због обиља тресета, барске и ливадске вегетације, подземне воде нису добре за пиће.
Прелаз из саме котлине ка масиву Видлича је већим делом маскиран појединачним плавинским и пролувијалним лепезама као и очуваним фрагментима језерских тераса, након којих се, ка североистоку и северу, прелази у класично карстно окружење.Мандић, М. (2014). Тумач за Основну хидрогеолошку карту лист Пирот 1:100.000, Београд, Геолошки завод Србије.
За постанак и данашњи изглед Пиротске котлине од великог значаја су и најмлађа убирања, насталих као последица, „најмлађих тектонских процеса током којих се Нишава усецала, а околни планински венци издизали, и омеђили котлину као асцендентну долину“.
Пиротска котлина дуга је 22km, а у најширем делу, широка 4 кm (2-4 кm). На истоку се спаја са Димитовградском котлином, а на западу са Белопаланачком котлином тј. њеним — Сопотска теснацем (5,5km). Јужни и Југозападни руб Пиротске котлине чине огранци Влашке планине (1.442 и Суве планине (1.809 m), северозапади руб огранци Сврљишке планине (1.348 m), североисточни руб планина Видлич (13,77 m) и југоисточи део који чини крашка заталасана висораван Тепош (крајњи југоисточни део) Старе планине.
На истоку, Пиротска котлина се граничи са Димитровградском котлином а на западу са средњим Понишављем.
Геолошка прошлост мини|десно|250п|У горњем палеозоику (перм), Пиротска котлина лежала је на дну океана (Тетиса) Пиротска котлина, као део нишавска долина представља саставни део маркантне Нишавско-маричке удолине. Река Нишава која протиче тереном који садржи минералне материјале различитих физичких својстава (првенствено чврстоће), образована је као сложена или композитна долина.
Тако је у њеном току настала и пиротска долина, радом сила речне ерозије, као и тектонским покретима. Отуд је она и полигенетска. Јанковић посебно истиче у „Историји развитка нишавске долине” да Нишавска долина представља, најбољи пример полигенетске долине у сложеној долини Нишаве, са геоморфолошким одликама посебне области.Митић, Д., Станојевић Милена: Шуме средњег Понишавља, Центар за научна истраживања САНУ и Универзитета у Нишу, Ниш, 2008.
По својој широј припадности и мезо-физиогеографском положају Пиротска котлина припада интрабалканском низу котлина. Тај низ котлина почиње Софијском котлином на истоку и настављајући се преко Пиротске Ђурђевопољске котлине и завршава Белопаланачком, као последњом интрабалканском котлином на Западу.
Основни облик шире области Пиротска котлина створен је тектонским процесима који су генерално утицали и на физиономију рељефа. На данашњи изглед су утицали и накнадни процеси језерске абразије и акумулације, флувијални процеси и крашке ерозије. У Ветанској корутини су присутни и флувио — денудациони процеси и механичко распадање стена, а постоје претпоставке и о утицају глацијалног феномена. <center> {| | style="background:silver;" colspan="2"|Фазе језерског периода развоја пиротске долинеЈанковић, Т. Петар, (1909) Историја развитка нишавске долине, Српска Краљевска Академија, Београд. |- ! Језерске фазе !! Карактеристике језерских фаза |- |<center> Прва|| У најстаријој језерској фази површина језера достигла је висину од 830 m у односу на данашњу надморску висину. У првој фази Нишавско језеро је веома широким комуникацијама повезано са моравским, заплањским и сврљишким базеном. Из воде као острва штрче доминантни врхови Суве планине (Трем, Голаш и део Валожја), затим Шљивовички врх, Рињске планине (са Плешом) и Орљански камен. После дужег мировања при крају фазе наступило је доба интензивних тектонских покрета, који су изменили конфигурацију језерског дна и изазвали релативно брзо спуштање новог нивоа са 830 на 610 метара. |- |<center> Друга ||Ову језерску фазу карактерише смиривањем покрета, и пад висине воде, што је повећало копнене површине. При самом крају фазе поново је дошло до великих покрета, па је ниво језера сишао на 500 m. У овој фази дошло је и до главног издизања пречага између басена, тако да се (у првој фази поменута) острва, повећавају и повезују са Белавом, а Сврљишке планине са Пајешким каменом, а Шљивовички врх са залеђем ка Столу. Тиме су обележене контуре данашњих котлина на простору Југоисточне Србије. |- | Трећа || У последњој језерској фази некада велико језеро распало се у четири мања, која су испунила Нишку и суседне котлине. Нишко језеро изгледало је тада као залив већег језера, које је заузимало лесковачко-алексиначко поморавље. Јаки тектонски покрети јавили су се и на крају ове фазе, која припада горњем плиоцену. Ови тектонски покрети изазвали су промене у висинама земљишта, због чега је наступило брзо отицање језера и формирање плиоценске Нишаве. Планински масиви добијају своје контуре, а језера се задржавају и чини данашњи простор Пиротске котлине. |} 750п|мини|центар|Поглед на Суву планину, Сврљишке планине са КоритњакаКако су се површи и околне планине, помаљала као острва из неогеног Нишавског језера, настале су котлине средњег Понишавља, као знатно ниже предеоне целине од Суве планине и других планина, која су се око ових котлина јасно издвојиле и истакле.
Језерски облици у Пиротској котлини сачувани су само местимично у траговима, као серија абразионих тераса на ободу котлине и на висинама изнад 570 m, односно 600 m. Крајем плиоцена језерску фазу смењује флувијална. На језерском дну формира се дренажна мрежа, претеча Нишаве, 220 m више од садашње. Нишава јена том простору усекла серију од шест тераса. 250п|мини|На дну језерског басена формирала се дренажна мрежа, претеча Нишаве Нaјнижа је представљена алувијалним равнима Бистрице, Расничке и Градашничке реке и чини јединствену целину. Тако су накок језерске фазе флувијални процес преузели главну улогу у морфолошком обликовању Пиротске котлине као једног од напуштених језерских басена Србије.
У току морфолошке еволувије рељефа, од почетка неогена до данас, развој геоморфолошких процеса на простору Пиротске котлине контролисан је климатским променама и неотектонским покретима. На језерском дну таложио се и материјал који су бујеце носиле са околних терена. Он се јављао у виду праслојка и сочива. Због тога није дошло до стварања јединственог водонаносног хоризонта
Како се терен у Пиротској котлини налази, углавном, под утицајем умерено-континеталне климе, чије су главне карактеристике топла лета и хладне зиме са довољним и релативно правилним распоредном падавина током године, флувијални процес са, јачим или слабијим интензитетом, константно одвија се и данас, са појачаном ерозијом у вишим деловима терена, односно акумулацијом у нижим.
Климатска обележја Клима Пиротске котлине, због њене окружености средње високим планининама (1.000-1.377 m), одликује се субпланинском и планинском климом, а у вишим подручјима (преко 1.500 m) влада планинска клима. Затворена готово са свих страна, она има низ климатских специфичности, а температуре ваздуха и падавине значајне су за хидрографију котлине.Milovanović B, Ristić-Vakanjac V. Klima Pirotske kotline. Pirotski zbornik, Pirot. 2014; (39):9-20.
Амплитуда екстремних температурних вредности износи 67 степени, што је јасна одлика континенталности подручја у којем се Пиротска котлина налази. Температурна својства Највише средње месечне температуре ваздуха у Пиротској котлини су 11,3 Cº. Најхладније је у месецу јануар — 0,10C, а најтоплије у месецу јул 22,2 Cº. За разлику од хладних зимских месеци, пролеће наступа доста рано, у априлу, када је температура око 10,8 Cº. Средња годишња температура на Старој планини изнад висине од 1.500 м је 9,0 Cº.
Након топлог и сувог лета наступа дуга сунчана јесен, која је топлија од пролећа. Апсолутни максимум забележен је 17. августа 1952. (40 Cº), а апсолутни минимум 17 и 2. децембра 1963 године (- 27 Cº).
Облачност Облачност у Пиротску котлину доносе западни ветрови. Сви остали су суви и никада не доносе повећану облачност. Највећа облачност је током зиме, са максимумом у децембру када облачност достиже покривеност неба од 7,8 десетина Смањење облачности почиње са првим пролећним месецима и траје до септембра.
Падавине