El área de cultivo de la Denominación de Origen se sitúa en el valle del Ebro y se divide en tres zonas con diversas características climáticas y de composición de suelos: Rioja Alavesa, Rioja Alta y Rioja Baja. El Ebro entra en la región por el noroeste (Rioja Alta), a unos 445 metros de altitud, y la abandona por el este (Rioja Baja), a 260 metros. Entre un punto y otro recorre unos 120 kilómetros. Los viñedos se encuentran a ambos márgenes del río, y en algunos puntos ascienden por la vertiente de las montañas que delimitan el valle, hasta una altura máxima de 700 metros.

La Rioja Alta ocupa la mitad oeste de la Denominación, y la Rioja Baja la mitad este. La Rioja Alavesa se encuentra al norte de la Rioja Alta, entre el río Ebro, que constituye su frontera sur, y la Sierra de Cantabria, que la resguarda de los vientos del norte.

En conjunto, la Rioja Alta y la Rioja Alavesa poseen un clima con influencias mediterráneas y atlánticas, mientras que en la Rioja Baja predomina el clima mediterráneo, más cálido y seco. Estas diferencias se aprecian fácilmente en el paisaje y la vegetación, aunque dentro de cada zona se dan diversos microclimas en función de factores como la orientación solar o la mayor o menor exposición a los vientos.

Los suelos son también relativamente variados, con predominio de tres tipos: arcilloso-calcáreos, arcilloso-ferrosos y aluviales. En la Rioja Alavesa, de relieve accidentado, son características las viñas de pequeño tamaño, ubicadas en terrazas y pendientes suaves, con suelos arcilloso-calcáreos. La Rioja Baja es más llana, tiene viñedos más extensos y mayor cantidad de suelos aluviales. La Rioja Ata reúne características de las otras dos zonas, con suelos de los tres tipos y microclimas variados. Algunos de sus municipios se sitúan al norte del río Ebro, junto a los alaveses.

Así como la parte alavesa de la Denominación de Origen coincide con una de las siete comarcas o “cuadrillas” en que está dividida Álava, la parte navarra no constituye ninguna región administrativa específica, ni posee un nombre propio que la identifique.