Толучеевка протекает на востоке области в общем направлении с севера на юг. Её исток находится в Новохопёрском районе возле посёлка Толучеевка. Дальше река течёт по территории Бутурлиновского, Воробьёвского, Калачеевского и Петропавловского районов и впадает в Дон с левой стороны в 6 км от села Старотолучеево. Длина реки – 142 км.

Крупнейшими правыми притоками Толучеевки являются Елизаветовка и Козынка, левыми – Подгорная и Криуша.

Первое упоминание о реке относится к XVI веку. В «Книге Большому чертежу» (это подробное описание карты всей территории России и соседних государств XVI–XVII веков) она называется Тулучеева, в Дозорной книге 1615 года – Толучеева. Оба варианта долгое время употреблялись параллельно. В основе названия – тюркское слово. На русский язык название реки можно перевести как «полноводная».

Берега Толучеевки на большом протяжении резко отличаются друг от друга. Правый, западный, – пологий и песчаный. За левым, восточным, к реке подступают живописные меловые горы. С одного бока Толучеевка кажется равнинной и степной, с другого – горной.

По берегам реки нет крупных промышленных предприятий, а город на всём протяжении только один – Калач, где Толучеевка сливается с Подгорной. Сравнительная удалённость от цивилизации позволила водам реки остаться незамутнёнными. Толучеевка чиста и прозрачна, в мелких местах хорошо видно дно. К сожалению, отмелей сегодня гораздо больше, чем 100 лет назад. По воспоминаниям местных жителей, тогда среди парней считалось почётным донырнуть до дна. В доказательство надо было показать друзьям на берегу поднятую горсть песка или ила. В наши дни мест, где можно было бы так понырять, осталось немного, а прежнее тюркское название кажется насмешкой. И виной этому не только изменения климата, но и бездумные действия людей.

Во второй половине 50-х годов ХХ века в Советском Союзе началось освоение целинных и залежных земель. Никита Хрущёв, стоявший тогда во главе государства, решил резко увеличить производство зерна. Чтобы получить быстрый эффект, распахивались неосвоенные земли, прежде всего в Казахстане и Сибири. Начальство в некоторых районах Воронежской области тоже захотело выслужиться и отрапортовать об освоении целины. А где можно найти целину в хорошо освоенном чернозёмном регионе? Ретивые карьеристы увидели её по берегам Толучеевки.

Впервые возделанные земли дали рекордный урожай. А весной талые воды понесли чернозём с пахоты в реку, забивая им родники. Толучеевка обмелела.

Сегодня отношение к природе изменилось. В 2020-2021 годах Толучеевку расчистили на двухкилометровом участке в селе Воробьёвка. Во время работ удалили упавшие в воду деревья, природный и бытовой мусор, скосили камыш. По берегам убрали отмирающие деревья и засохший кустарник, посеяли многолетние травы. На обновлённом участке в воду выпустили свыше 88 тыс. мальков сазана. На очистку реки из областного бюджета выделили более 2 млн рублей.

Ещё один участок Толучеевки, где была проведена расчистка русла, находится в Калачеевском районе. Целью этого мероприятия было помочь не только реке, но и живущим на её берегах людям. Основное питание Толучеевка получает весной во время таяния снега, а максимальный уровень чаще всего наблюдается в третьей декаде апреля. Во время большого половодья река в Калаче заливала дороги, подтапливала подворья и дома поблизости. Чтобы в дальнейшем избежать наводнений, дно Толучеевки углубили, а русло расширили.