Med sine knap 36 km fra udspring til udløb hører Vejle Å ikke til blandt Danmarks største vandløb, men gør sig til gengæld bemærket ved at løbe gennem en af landets mest karakteristiske tunneldale. Åen tager sin begyndelse i den sydlige ende af Engelsholm Sø, der mod forventning ikke ligger for enden af Vejle Ådal, men i stedet nordøst for ådalens vestligste punkt. Det giver Vejle Å et lidt besynderligt forløb. Fra Engelsholm Sø løber den først 12 km i syd-sydvestlig retning, før den møder tunneldalen ved højdepunktet Runkenbjerg nær Tørskind. Ved Runkenbjerg slår åen et sving på mere end 120 grader for at dreje skarpt mod øst. Samtidig får den tilløb af Egtved Å, hvilket øger vandmængden i åen betragteligt. Fra Runkenbjerg løber Vejle Å i bunden af Vejle Ådal, som den følger de sidste 20 km til Vejle. Her får den tilløb af Grejs Å fra nord og Højen Å fra syd, inden den kort efter løber ud i Vejle Fjord.
På det meste af sit løb kantes Vejle Å af moser, som når deres største udbredelse i Nordkær og Kongens Kær ved Vejle, og mellem Tørskind og Vingsted løber åen også gennem et stort engområde. Flere steder langs åen findes elle- og askesumpe, ligesom der er kildevæld med bl.a. elfenbenspadderok i skrænterne. Længere oppe ad ådalenes sider er der ofte større overdrevsarealer.
Vejle Å var tidligere en af de danske åer med flest dambrug, hvilket gav problemer med øget næringsstoftilførsel, ligesom de tilhørende opstemninger hæmmede vandrefiskenes muligheder for at bevæge sig op og ned i vandløbet. Siden 1990’erne har et øget fokus på vandmiljøet medført, at størstedelen af dambrugene og opstemningerne er blevet nedlagt og fjernet. Derudover blev en 350 m lang strækning ved Haraldskær genslynget i 1997, og for bl.a. at forbedre gydeforholdene for ørred blev der i 2013 etableret nye sving samt et stryg med lavt vand ved Vingsted.
I dag er Vejle Å i god økologisk tilstand, hvilket afspejler sig i dyrelivet. Således er åen levested for en række smådyr som døgnfluen Paraleptophlebia cincta, vårfluerne Agapetus ochripes og Psychomyia pusilla samt den forholdsvis sjældne bækbugsvømmer. Fiskebestanden omfatter bl.a. bæklampret, aborre, gedde, trepigget hundestejle og ål. Åen er dog især kendt for sine store havørreder, der trækker op i åen og dens tilløb for at gyde. Indtil 2008 blev ørredbestanden hjulpet på vej af udsætninger, men i dag har åen en stor, selvreproducerende bestand. Desuden har de forbedrede forhold og mange fisk betydet, at odderen er vendt tilbage til Vejle Å efter mange års fravær.
Mellem Gødding og Randbøldal løber åen gennem fredningen af Hjortedalen fra 2008, mens den ved tilløbet af Egtved Å nord for Egtved kortvarigt løber gennem fredningen af Nybjerg Mølle fra 1980. Derudover indgår en mindre strækning i habitatområdet Egtved Ådal.
