Nam Ou bắt nguồn từ vùng núi biên giới Lào-Trung Quốc ở tỉnh Phongsali, chảy theo hướng Bắc-Nam giữa các dãy núi và bồn địa miền Bắc Lào. Nó hợp lưu với sông Mekong ở huyện Pak Ou cách Luang Prabang khoảng 15 km về phía Đông Bắc.

Cùng với sông Mekong, Nam Ou là luồng đường thủy tự nhiên phù hợp cho việc vận chuyển bằng ca nô lớn. Gần nơi hợp lưu của sông này vào sông Mekong là các động Pak Ou (Tham Thing và Tham Theung), nổi tiếng với những tượng Phật.