Sông Nậm Thi khởi nguồn tại trấn Minh Thứu (鸣鹫镇), phía đông của huyện Mông Tự, châu tự trị Hồng Hà thuộc tỉnh Vân Nam. Tại thượng lưu, sông có tên là Bắc Khê, từ đoạn hồ chứa Trang Trại thuộc trấn Chỉ Thôn về xuôi, sông mới có tên gọi là Nam Khê rồi sau đó tạo thành biên giới Trung Quốc-Việt Nam và đổ ra sông Hồng tại phường Lào Cai thuộc thành phố Lào Cai và trấn Hà Khẩu thuộc huyện Hà Khẩu.

Lưu vực của sông Nậm Thi tại Trung Quốc bao gồm phần đông nam của châu Hồng Hà và một phần tây nam của châu Văn Sơn thuộc tỉnh Vân Nam. Tại Việt Nam, lưu vực sông Nậm Thi bao gồm hai huyện Mường Khương, Bảo Thắng (sông Tông Gia, và thành phố Lào Cai thuộc tỉnh Lào Cai. Tổng cộng, sông Nậm Thi có trên 20 phụ lưu. Nơi hợp lưu giữa sông Nậm Thi và sông Hồng có độ cao 76,4 mét, là điểm có độ cao thấp nhất của tỉnh Vân Nam.[1]

Do nguyên nhân địa lý tự nhiên, khí hậu tại khu vực lưu vực sông Nâm Thi rất khác nhau. Nhiệt độ tối đa từng lên tới 40,9℃, và thấp nhất là 2,1℃.[1] So với thời tiết tại các vùng khác tại Trung Quốc, nơi đây có mùa hè kéo dài, độ ẩm cao và lượng mưa lớn. Lưu vực sông Nậm Thi có địa hình núi cao, rừng rậm với nhiều loài cây như vân sam, gỗ tếch, và các loại gỗ có giá trị khác. Về động vật, có các loài như hổ, báo, gấu, hươu, nai, gà lôi bạc, khỉ vàng và một số loài quý hiếm khác. Tại thung lũng sông Nậm Thi có thể trồng trọt hai vụ một năm với các nông sản phổ biến là lúa và ngô, đỗ tương, lạc và các cây trồng khác như cao su, hạt tiêu, quế, chuối, dứa. Một nông trường quốc doanh trồng cao su có tiếng được hình thành tại lưu vực sông Nậm Thi và có thể được nhìn thấy khi đi trên quốc lộ 70 của Việt Nam.