Den ca. 160 km lange Gudenå løber ind i Horsens Kommune ved Hedelund Plantage syd for Brædstrup. Herfra fortsætter åen nordpå til Mossø, som den løber ud i ved Klostermølle og forlader igen ved Brumege.
På det meste af strækningen i Horsens Kommune kantes Gudenå af moser og ferske enge samt af mindre overdrev højere oppe ad ådalens skrænter. Ved Vestbirk gennemløber Gudenå desuden Bredvad Sø, Naldal Sø og Vestbirk Sø, som alle opstod ved opførelsen af Vestbirk Vandkraftværk i 1924. Ved Mossø blev åens vand fra 1100-tallet ledt til Klostermølle gennem en kanal, men i 2018 begyndte man at lægge åen tilbage i sit oprindelige løb gennem Klosterkær.
Åens fiskebestand omfatter bl.a. ørred, stalling, aborre, skalle, gedde, knude og ål. Derudover er strækningen opstrøms Klostermølle et vigtigt gydeområde for Mossøs søørreder. Denne del af Gudenå har også en rig smådyrsfauna. Eksempelvis huser kanalen ved Klostermølle en række renvandsarter som stor slørvinge, gul slørvinge, stor klobille, stor majflue og nattens mudderdøgnflue, mens strækningen ved Den Genfundne Bro bl.a. er levested for den sjældne vårflue Odontocerum albicorne. Derudover har den invasive vandremusling bredt sig på hele åens løb gennem kommunen.
Fuglelivet er også rigt, og i området ved Klostermølle kan man opleve arter som sølvhejre, trane, lille flagspætte, korttået træløber, bjergvipstjert, vandstær og isfugl. Odderen er registreret flere steder langs åen, mens flagermus som langøret flagermus, sydflagermus, troldflagermus, vandflagermus og damflagermus holder til ved Klostermølle.
Nedstrøms Voervadsbro løber Gudenå gennem et stort område, som blev fredet ad flere omgange mellem 1971 og 2008. Samme strækning indgår i habitatområdet Salten Å, Salten Langsø, Mossø og søer syd for Salten Langsø og dele af Gudenå, mens åens løb ved Klostermølle og Mossø er en del af fuglebeskyttelsesområdet Mossø.
