Sông dài 388 km, bắt nguồn từ dãy núi Ngọc Rô, tây bắc tỉnh Kon Tum, từ độ cao 1.549 mét, chảy theo hướng Bắc-Nam qua các huyện Kon Plông của tỉnh Kon Tum, KBang, Đắk Pơ, An Khê, Kông Chro, Ia Pa, Ayun Pa của tỉnh Gia Lai, chuyển sang hướng Tây Bắc-Đông Nam qua huyện Krông Pa (Gia Lai) rồi đi vào địa phận Phú Yên theo hướng Tây-Đông làm thành ranh giới tự nhiên giữa Sơn Hòa và Sông Hinh, giữa Sơn Hòa và Tây Hòa, giữa Tây Hòa và Phú Hòa, giữa thị xã Đông Hòa và thành phố Tuy Hòa rồi đổ ra biển Đông ở cửa biển Đà Diễn, phía Nam thành phố Tuy Hòa.

Vùng hạ lưu của sông có tên Đà Rằng, từ này là từ đọc trại của Ea Drăng xuất phát từ tiếng Chăm cổ có nghĩa là "con sông lau sậy".

Lưu vực của hệ thống sông Ba rộng 13.900 km² bao gồm cả phần phía Đông Bắc của Đăk Lăk.

Sông Ba cung cấp nước quanh năm cho đồng bằng Tuy Hòa, với diện tích hơn 20.000 ha, vựa lúa lớn nhất Duyên hải Nam Trung Bộ.

Dọc theo sông Ba có nhiều danh lam thắng cảnh và di tích lịch sử. Cầu Đà Rằng qua sông này tại Tuy Hòa dài 1.512 m là cầu dài nhất Phú Yên.