Dòng chảy ở thượng nguồn theo hình chữ V với hướng chủ đạo là tây nam-đông bắc. Từ điểm giáp ranh ba xã Thanh Thạch, Hương Hóa, Kim Hóa bắt đầu chảy theo hướng tây bắc-đông nam. Tới ranh giới hai xã Kim Hóa và Lệ Hóa nó tiếp nhận thêm nước từ một chi lưu nhỏ phía hữu ngạn, chảy về từ phía tây. Phía dưới thị trấn Ba Đồn khoảng 3 km, sông Gianh tiếp nhận thêm nước từ chi lưu phía hữu ngạn, chảy ra từ khu vực Phong Nha-Kẻ Bàng.

Sông Gianh dài khoảng 160 km, cắt qua quốc lộ 1 ở tây bắc Cửa Gianh 5 km. Diện tích lưu vực 4.680 km², độ cao trung bình 360 m, độ dốc trung bình 19,2%, lượng nước năm 7,95 km³ ứng với lưu lượng nước trung bình năm 252 m³/s, môđun dòng chảy năm 53,8 l/s.km². Mùa lũ từ tháng 9 đến tháng 11, chiếm khoảng 60-75% lượng dòng chảy hàng năm. Dòng cát bùn khoảng 1,93x105 tấn/năm, ứng với độ đục trung bình năm 192 g/m³ và hệ số xâm thực 168 tấn/km² năm. Tàu thuyền có thể qua lại đoạn sông ở hạ lưu, từ Cửa Gianh đến Ba Đồn 6 km, đến thị trấn Đồng Lê huyện Tuyên Hóa là 47 km.

Đoạn thượng lưu từ Khe Nét trở về nguồn dài khoảng 70–80 km, lòng sông nhiều thác ghềnh. Khoảng 20 km đầu nguồn đá đổ ngổn ngang trong lòng sông. Tới Đồng Tâm, lòng sông rộng khoảng 80 – 90 m, lớn nhất 110–115 m. Đoạn từ các xã Phù Hóa, Quảng Tiên tới thị xã Ba Đồn (17°45′25″B 106°25′10″Đ / 17,75694°B 106,41944°Đ / 17.75694; 106.41944), lòng sông có 5 cồn, đảo nhỏ trên sông, trong đó đảo dài nhất khoảng 3,8 km rộng nhất khoảng 0,8 km. Ngay dưới Ba Đồn lòng sông rộng tới 1 km.