Sông bắt nguồn từ cao nguyên Xiengkhuang, Lào. Phần chảy trên lãnh thổ Lào gọi là Nam Khan. Phần chính của dòng sông chảy qua Nghệ An, phần cuối của sông Lam hợp lưu với sông La từ Hà Tĩnh, tạo thành ranh giới của Nghệ An và Hà Tĩnh đổ ra biển tại cửa Hội. Cụ thể, trên lãnh thổ Việt Nam, nó chảy qua địa phận huyện Kỳ Sơn, Tương Dương, Con Cuông, Anh Sơn, Đô Lương, Nam Đàn, giữa các huyện Thanh Chương, Hưng Nguyên, Nghi Lộc, thành phố Vinh, thị xã Cửa Lò của tỉnh Nghệ An và các huyện Đức Thọ, Nghi Xuân, thị xã Hồng Lĩnh của tỉnh Hà Tĩnh trước khi đổ ra vịnh Bắc Bộ.

Tổng cộng các chiều dài của sông theo Bách khoa toàn thư Việt Nam là khoảng 512 km, đoạn chảy trong nội địa Việt Nam khoảng 361 km. Tuy nhiên có nguồn khác thì cho rằng dòng sông này có hai nguồn chính, nếu tính theo đầu nguồn từ Nậm Mơn (từ dãy Pu Lôi) thì Sông Lam dài 530 km, nếu tính đầu nguồn bắt đàu từ Nậm Mô (cao nguyên Trấn Ninh) thì chiều dài sông là 432 km.[1] Diện tích lưu vực của con sông này là 27.200 km², trong số đó 17.730 km² thuộc Việt Nam. Tính trung bình của cả triền sông thì sông Lam nằm ở cao độ 294 m và độ dốc trung bình là 18,3%. Mật độ sông suối là 0,60 km/km². Từ biên giới Việt-Lào đến Cửa Rào, lòng sông dốc nhiều với hơn 100 ghềnh thác. Từ Cửa Rào trở về xuôi, tàu thuyền nhỏ có thể đi lại được trên sông vào mùa nước. Tổng lượng nước 21,90 km³ tương ứng với lưu lượng trung bình năm 688 m³/s và môđun dòng chảy năm 25,3 l/s.km². Lưu lượng trung bình mỗi năm tại Cửa Rào là 236 m³/s, tại Dừa: 430 m³/s. Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 11 cũng là mùa mưa, góp khoảng 74-80% tổng lượng nước cả năm.

Sông chảy theo hướng Tây Bắc-Đông Nam, khi gần tới biển chảy ngược lên hướng Bắc. Có một số nhánh sông nhân tạo lấy nước từ Sông Lam như sông Đào.

Sách Đại Nam nhất thống chí viết: ...sông Lam Giang, tục gọi sông Cả, có hai nguồn: Một nguồn chảy ra từ các núi phủ Trấn Biên xứ Nghệ (nay là đất huyện Samtay tỉnh Hủa Phăn Lào), phủ Trấn Ninh xứ Nghệ (nay thuộc Xiêng Khoảng Lào), chảy về phía Đông đến phủ Tương Dương xứ Nghệ qua núi Thành Nam gọi là nguồn Tương. Nguồn kia bắt đầu từ vùng núi huyện Thúy Vân xứ Nghệ chảy về phía Đông Nam vào phủ Quỳ Châu gọi là nguồn Hiếu. Hai nguồn hợp nhau chảy về Đông đến các huyện Thanh Chương, Nam Đường (nay là Nam Đàn) gặp sông Dương và sông Vũ từ phía Tây đổ vào, sông Cương từ phía Bắc chảy vào, rồi chảy đến phía Nam núi Lam Thành thì hội với sông La thành sông Tam Chế và đổ ra biển Đông tại cửa Hội.[2]