Sông Nhuệ, trước khi được đào thông với sông Hồng, lấy nước từ đầm Bát Long thuộc xã Hạ Mỗ, huyện Đan Phượng. Trải qua nhiều lần đào, sông mới có được hình thể như ngày nay.[1]

Điểm bắt đầu của nó là rãnh Liên Mạc, lấy nước từ sông Hồng trong địa phận quận Bắc Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc của nó là cống Phủ Lý khi hợp lưu vào sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam). Sông chảy qua các quận, huyện: Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Hà Đông, Thanh Trì, Thanh Oai, Thường Tín, Phú Xuyên của thành phố Hà Nội; huyện Duy Tiên của tỉnh Hà Nam và cuối cùng đổ vào sông Đáy ở khu vực thành phố Phủ Lý. Diện tích lưu vực của nó khoảng 1.075 km² (phần bị các đê bao bọc). Ngoài ra, nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua quận Hà Đông), sông Tô Lịch, sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Độ, v.v...