Nậm Mô khởi nguồn từ hợp lưu nhiều suối trên đất Lào, trong đó dòng chính bắt nguồn từ sườn tây nam dãy núi Phu Xai Lai Leng tại huyện Khamkeuth và Viengthong tỉnh Bolikhamxay, chảy về hướng tây bắc 19°8′55″B 104°9′59″Đ / 19,14861°B 104,16639°Đ / 19.14861; 104.16639 (Nậm Mô). Núi Phu Xai Lai Leng là dãy núi ở biên giới giáp vùng đất các xã Nậm Càn và Na Ngoi huyện Kỳ Sơn.

Sau đó đến huyện Mok Mai tỉnh Xiengkhuang sông đổi hướng đông bắc 19°16′51″B 103°48′59″Đ / 19,28083°B 103,81639°Đ / 19.28083; 103.81639 (Nậm Mô), rồi là ranh giới tự nhiên cho biên giới Việt-Lào đoạn ở các xã Mường Ải, Mường Típ và Tà Cạ.

Tại bản Nhạn Lý xã Tà Cạ 19°25′3″B 104°4′11″Đ / 19,4175°B 104,06972°Đ / 19.41750; 104.06972 (Nậm Mô) sông đổi hướng đông nam, chảy vào đất Việt.

Đến làng Cửa Rào xã Xá Lượng huyện Tương Dương thì đổ vào sông Lam.