Ngòi Thia bắt nguồn từ hợp lưu nhiều suối ở vùng núi huyện Trạm Tấu, trong đó dòng lớn nhất là "Nậm Tia", từ phía tây xã Xả Hồ và Hát Lìu đổ về 21°32′29″B 104°18′34″Đ / 21,54139°B 104,30944°Đ / 21.54139; 104.30944 (Ngòi Thia).

Từ thung lũng thị trấn Trạm Tấu 21°27′58″B 104°23′35″Đ / 21,46611°B 104,39306°Đ / 21.46611; 104.39306 (Ngòi Thia) Ngòi Thia chảy theo hướng đông bắc rồi bắc, qua thung lũng Nghĩa Lộ.

Đến phía bắc của thung lũng Nghĩa Lộ, tại Nông trường Liên Sơn thì dòng Nậm Min từ hướng tây bắc đổ vào 21°39′52″B 104°30′30″Đ / 21,66444°B 104,50833°Đ / 21.66444; 104.50833 (Ngòi Thia).

Từ đó sông chảy hướng gần đông, rồi gần bắc, và đổ vào sông Hồng ở xã Yên Hợp, Văn Yên tỉnh Yên Bái.