Sông này ban đầu có hai nhánh, chảy gần như song song. Một nhánh bắt nguồn từ vùng Núi Chu, gần Suối Rút (huyện Mai Châu – tỉnh Hòa Bình), ở độ cao 450 m, nhánh kia bắt nguồn từ gần thị trấn Mường Khến, huyện Tân Lạc cùng tỉnh. Cả hai nhánh này đều nằm ở phía nam hồ Hòa Bình, cách hồ này khoảng 7–10 km. Hai nhánh này chảy theo hướng tây bắc-đông nam qua địa phận huyện Tân Lạc, hợp lưu tại khu vực phía tây nam thị trấn Vụ Bản của huyện thành một dòng 20°27′21″B 105°26′52″Đ / 20,455938°B 105,447884°Đ / 20.455938; 105.447884 (SB-VụBản).

Sau đó sông hợp lưu với nhánh thứ ba bên tả ngạn cách đó khoảng 2 km rồi chảy qua huyện Lạc Sơn cùng tỉnh, vượt qua phía tây Vườn quốc gia Cúc Phương. Đến gần Dốc Lào trong địa phận xã Thạch Lâm huyện Thạch Thành tỉnh Thanh Hóa, nó hợp lưu với một nhánh nhỏ phía hữu ngạn rồi chảy tiếp qua địa phận huyện Thạch Thành. Tới địa phận các xã Thạch Định, Kim Tân, nó đổi hướng thành bắc-nam và chảy ngoằn ngoèo qua địa phận huyện Vĩnh Lộc để sau cùng đổ vào bờ trái sông Mã, nơi giáp ranh các xã Vĩnh Thái, Vĩnh Khang (huyện Vĩnh Lộc) và Yên Thái (huyện Yên Định), tỉnh Thanh Hóa. Tổng chiều dài 130 km. Diện tích lưu vực 1.790 km², độ cao trung bình 247 m, độ dốc trung bình 12,2%, mật độ sông suối 0,59 km/km². Tổng lượng nước 1,65 km³, tương ứng với lưu lượng bình quân 52,2 m³/s và môđun dòng chảy năm 27,7 l/s.km². Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10, chiếm 80,4% lượng nước cả năm, lớn nhất vào tháng 9-10 (chiếm 27,9% lượng dòng chảy cả năm).