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Mesmo assim, considerando os períodos de escassez e dimunição do volume de água na bacia, esta é considerada, ao lado das Bacias do Amazonas e do Paraná uma das três grandes bacias sedimentares brasileiras. Bacias sedimentares são aquelas onde a área marginal precipita-se, indo depositar-se ao fundo do rio; à medida que pedras, areia e demais corpos vão se acumulando e sendo soterrados, estes sofrem aumento de pressão e temperatura, inciando um processo de litificação ("transformação em pedra", literalmente), formando conjuntos de rochas sedimentares.
Apelidado de "Velho Monge", o principal rio da bacia nasce nos contrafortes da chapada das Mangabeiras, confluência de três outros rios: Água Quente, na divisa de Maranhão e Piauí, Curriola e Lontra, ambos no território do estado piauiense. Este corre cerca de 1450 quilômetros até sua desembocadura no Oceano Atlântico, servindo, ao longo de todo seu curso, de divisa entre Maranhão e Piauí.
São três os seus principais cursos: Alto, Médio e Baixo Parnaíba. No Médio Parnaíba, na altura da cidade piauiense de Guadalupe, encontra-se a barragem de Boa Esperança, que impulsiona a usina de mesmo nome, geradora de energia integrante do sistema CHESF.
É importante mencionar que a bacia possui mais de três mil quilômetros de rios perenes (rios que não secam em tempos de altas temperaturas), centenas de lagoas e ainda metade da água do subsolo do nordeste brasileiro, avaliadas em 10 milhões de metros cúbicos ao ano.
Os afluentes mais importantes do Parnaíba, do lado do Piauí são os rios Gurgueia, Uruçuí-Preto, Canindé, Poti e Longá; no Maranhão, o afluente importante é o rio Balsas.
Antes de atingir o Atlântico, o Parnaíba forma um amplo e recortado delta, o único em mar aberto das Américas e um dos três maiores do mundo em extensão (sendo os outros o do Nilo, no Egito, e do Mekong, no Vietnã).