Tô Lịch vốn từng là một phân lưu của sông Hồng, đưa nước từ thượng lưu ở sông Hồng sang sông Nhuệ. Đến đoạn trung lưu, nó gặp hồ Tây (là dấu tích của đoạn sông Hồng cũ, nằm cạnh Quán Thánh) và một phần nước từ hồ Tây được cung cấp cho đoạn sông từ đó đến hạ lưu. Sách Đại Nam nhất thống chí (soạn giữa thế kỷ 19) đã viết:[1]

Sông Tô ở phía Đông tỉnh thành (Hà Nội) là phân lưu của sông Nhị, chảy theo phía Bắc tỉnh thành vào cửa cống thôn Hương Bài, tổng Đồng Xuân, huyện Thọ Xương (cửa sông xưa nằm ở vị trí phố Cầu Gỗ quận Hoàn Kiếm) chuyển sang phía Tây huyện Vĩnh Thuận đến xã Nghĩa Đô ở phía Đông huyện Từ Liêm và các tổng thuộc huyện Thanh Trì, quanh co gần 60 dặm, tới xã Hà Liễu chảy vào sông Nhuệ.