Dòng chảy Nam Theun nhiều lần đổi hướng. Nó bắt nguồn từ dãy núi Trường Sơn 18°7′52″B 105°29′3″Đ / 18,13111°B 105,48417°Đ / 18.13111; 105.48417 (Nam Theun), đoạn giáp biên giới với huyện Vũ Quang, Hà Tĩnh, Việt Nam và chảy về hướng tây nam trong tỉnh Khammouan.

Đến muang Nhommalath thì đổi sang hướng tây bắc một đoạn dài, và đến muangPak Kading tỉnh Bolikhamxai thì đổi hướng tây nam với vài gấp khúc, rồi đổ vào sông Mê Kông.

Nếu đi đường bộ tới Viêng Chăn từ cửa khẩu Cầu Treo, Hà Tĩnh, sẽ qua Nam Theun hai lần, một ở bản Thabak trên Quốc lộ 8 gần nơi có nhà máy của Thủy điện Theun Hinboun, và ở Pak Kading trên Quốc lộ 13.