Sông được tạo thành bởi bốn sông nhánh: Isis, Churn, Colne và Leach — bên sườn phía Đông Nam của các đồi Cotswold ở Gloucestershire, gần Cheltenham. Các sông nhánh hội tụ tại thành phố Oxford và nhìn chung chảy theo hướng Đông Nam đến Reading, qua một khe rãnh ở dốc núi Chiltern. Sông Thames sau đó nhìn chung chảy theo hướng Đông qua London, và một vài cây số dưới Gravesend nó mở ra một cửa sông rộng và đổ vào Biển Bắc.

Sông Thames có chiều dài 346 km; tại Woolwich, 448 m (1470 ft); tại bến tàu Gravesend 732 m (2400 ft); 5 km (3 mi) dưới Gravesend, 1180 m (3870 ft); tại Nore Light 10 km (6 mi); và tại cửa sông, giữa Whitstable và Foulness Point, cửa sông dài 29 km (18 mi).

Khu vực bến tại London có 56 km sông Thames từ Tower Bridge đến Vũng tàu Tilbury, và tàu biển được thả neo tại đây. Dù phần thượng lưu của vũng tàu (dock) có thủy triều, phần hạ lưu lại cho phép tàu biển vào đây vào bất kỳ thời điểm thủy triều nào. Các vũng tàu Tilbury, đã được đóng cửa năm 1981 và được quy hoạch lại thành khu vực công nghiệp nhẹ.