Sông có chiều dài 155 km, bắt nguồn từ dãy núi Trường Sơn ở phía Tây tỉnh Quảng Trị và đổ ra Biển Đông qua Cửa Việt. Sông có lưu lượng dòng chảy trung bình năm khoảng 130 m³/giây. Sông có 37 phụ lưu, diện tích lưu vực 2.660 km². Ba phụ lưu chính là sông Vĩnh Phước, sông Ba Lòng (hợp lưu của sông Rào Quán và sông Đa Krông[2]), sông Cam Lộ (phần hạ nguồn gọi là sông Hiếu).[3]

Sông Thạch Hãn chảy qua phía Tây Nam thị xã Quảng Trị (thị xã được hình thành từ làng Thạch Hãn), đoạn rẽ nhánh của dòng Thạch Hãn là sông Vĩnh Định chảy qua phía Bắc thị xã, tại đây, sông bị chặn bởi đập An Tiêm nên lượng nước không lớn. Đoạn qua thị xã Quảng Trị sông rộng 150–200 m, là đường thủy nối liền Quảng Trị lên Ba Lòng, về Biển Đông (Cửa Việt).

Từ khi công trình thủy lợi Nam Thạch Hãn hoàn thành (cuối thập niên 1970) thì dòng sông Thạch Hãn mùa hè cạn trơ đáy, có thể lội bộ qua sông đoạn thị xã Quảng Trị và nhiều đoạn khác; mùa lũ thì nước dâng cao ngập toàn thị xã do bờ kênh thủy lợi đồng thời là con đập chắn lũ làm ngập chỉ một phía bắc bờ kênh. Để giải quyết tình trạng này, năm 2006 chính quyền sở tại cho xây dựng các điểm tràn trên bờ đập kênh để chia lũ dòng sông.