Бассейн реки расположен на северо-восточном склоне Большого Кавказского хребта в пределах Азербайджана и охватывает территорию Губинского и Хачмазского районов. Исток находится на северном склоне Туфандага (высота 3000 м). Верховья Кудиалчая от верховий Кусарчая отделяет плато Кызылкая, от истоков Вельвеличая — Будугское и Гирдагское плато. Рельеф горной части течения реки складывается из крутых склонов и скальных отложений. Выпадающие осадки не проникают в почву или грунты, образуя поверхностный сток, приводящий к развитию эрозионных процессов[2][3].
В питании реки талые воды составляют 30-40, дождевые — 20-30 и подземные — 30-40 % годового объёма стока. Основное накопление запасов влаги происходит за счёт зимних осадков на больших высотах, которые являются одним из основных источников питания реки. В конце марта — начале апреля начинается половодье, формирующееся за счет таяния снега в горах и заканчивающееся во второй половине августа. На этот период приходится около 60-70 % годового объёма стока[4].
Река Кудиалчай подвержена существенному антропогенному воздействию[5]. Предприятиями г. Губа в неё ежегодно сбрасывается около 1400 тыс. м³ неочищенных сточных вод, а в районе г. Хачмаз — более 100 тыс. м³ хозяйственно-бытовых сточных вод. После организованного сброса сточных вод предприятиями Хачмаза качество речной воды резко ухудшается[6].
