Sông Cầu bắt nguồn từ phía Nam đỉnh Phia Boóc(cao 1.578 m) của dãy Văn Ôn trong địa phận xã Phương Viên huyện Chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn, chảy ngoằn ngoèo giữa hai dãy núi Ngân Sơn và dãy núi Sông Gâm theo hướng bắc tây bắc-nam đông nam tới địa phận xã Dương Phong, huyện Bạch Thông rồi đổi hướng để chảy theo hướng tây tây nam-đông đông bắc qua thành phố Bắc Kạn tới xã Mỹ Thanh huyện Bạch Thông. Tại đây nó đổi hướng để chảy theo hướng đông bắc-tây nam. Tại xã Nông Hạ huyện Chợ Mới nó nhận một chi lưu phía hữu ngạn, chảy về từ xã Mai Lạp cùng huyện theo hướng tây bắc-đông nam. Tới địa phận thị trấn Chợ Mới, nó nhận một chi lưu nữa phía hữu ngạn rồi đổi hướng sang tây bắc-đông nam. Tới địa phận xã Vân Lăng (huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên), nhận một chi lưu phía tả ngạn rồi đổi hướng sang bắc đông bắc-nam tây nam. Tới xã Sơn Cẩm, thành phố Thái Nguyên nhận tiếp một chi lưu phía hữu ngạn là sông Đu rồi chảy qua lòng thành phố. Chảy tới xã Nga My huyện Phú Bình thì đổi sang hướng đông bắc-tây nam tới xã Thuận Thành, thị xã Phổ Yên nhận tiếp một chi lưu là sông Công. Tới ranh giới xã Mai Đình huyện Hiệp Hòa và xã Việt Long huyện Sóc Sơn (Hà Nội) nó nhận một chi lưu nhỏ phía hữu ngạn là sông Cà Lồ rồi chảy tiếp về phía đông qua ranh giới của hai huyện Việt Yên-Bắc Giang và Yên Phong-Bắc Ninh rồi hợp lưu với sông Thương tại ngã ba Lác (nơi giáp ranh giữa Đồng Phúc, Đức Long và Phả Lại) để tạo thành sông Thái Bình.