Kastbjerg Å har sit udspring ved afløbet fra Kjellerup Sø syd for Mariager. Herfra løber åen i en tunneldal ca. 20 km til udløbet i Mariager Fjord ved Aa Mølle.
Selve åen bærer præg af mange års hårdhændet grødeskæring og regulering, og naturtilstanden er derfor ikke særlig god. Til gengæld rummer dalen, som Kastbjerg Å løber igennem, talrige rigkær og kildevæld, som fødes af fremsivende kalkrigt grundvand. Hvor disse stadig græsses, er plantelivet meget rigt og omfatter en lang række kalkelskende plantearter som kødfarvet gøgeurt, sumphullæbe, engblomme, vibefedt, leverurt, stivtoppet rørhvene, rustskæne og krognæbstar. Rigkærene og kildevældene er desuden levested for de sjældne skæv vindelsnegl, sumpvindelsnegl og kildevældsvindelsnegl. Odder findes ved selve åen, som også er et vigtigt gyde- og opvækstområde for havørred.
Kastbjerg Å indgår i habitatområdet Kastbjerg Ådal. I ådalen er der 2006-12 gennemført et stort naturprojekt, som skal sikre en mere hensigtsmæssig drift og pleje af den sjældne natur. Som led i projektet er der etableret et omfattende stisystem i ådalen.
