Sông bắt đầu từ thành phố Vĩnh Long, chảy theo hướng tây bắc-đông nam, dọc theo ranh giới giữa các huyện Long Hồ (Vĩnh Long), Chợ Lách, Mỏ Cày Bắc, Mỏ Cày Nam, Thạnh Phú (đều của Bến Tre) ở bên tả với thành phố Vĩnh Long, các huyện Long Hồ, Mang Thít, Vũng Liêm (đều của Vĩnh Long), Càng Long,thành phố Trà Vinh, Châu Thành, Cầu Ngang (đều của Trà Vinh) bên hữu.

Đến ranh giới ngã ba giữa Châu Thành và Cầu Ngang, sông chia làm hai đổ ra Biển Đông qua 2 cửa sông là cửa Cung Hầu và cửa Cổ Chiên. Cửa Cổ Chiên ở giữa Thạnh Phú (Bến Tre) và Châu Thành (Trà Vinh). Cửa Cung Hầu lệch về phía Trà Vinh, giữa Châu Thành và Cầu Ngang.

Trên dòng sông Cổ Chiên cũng có nhiều cù lao và cồn như: cù lao Nai, cồn Chen, cồn Dung, cồn Lớn. Các cồn này thuộc về tỉnh Bến Tre.