Sông Đáy có chiều dài khoảng 240 km[4] và là một trong năm con sông dài nhất ở miền Bắc Việt Nam (Hồng, Đà, Lô, Cầu, Đáy). Lưu vực sông Đáy (cùng với phụ lưu sông Nhuệ) hơn 7.500 km²[5] trên địa bàn các tỉnh thành Hà Nội, Hòa Bình, Hà Nam, Ninh Bình và Nam Định.

Sông Đáy ngoài vai trò là sông chính của các sông Bùi, sông Nhuệ, sông Bôi, sông Hoàng Long, sông Vạc nó còn là một phân lưu của sông Hồng khi nhận nước từ sông Nam Định nối tới từ hạ lưu sông Hồng. Trước đây sông Đáy còn nhận nước của sông Hồng ở địa phận Hà Nội giữa huyện Phúc Thọ và huyện Đan Phượng. Quãng sông này còn có tên là sông Hát hay Hát giang. Chỗ sông Hồng tiếp nước là Hát Môn. Song hiện nay khu vực này đã bị bồi lấp, nguồn cung cấp nước cho sông chủ yếu ở các nhánh bên hữu ngạn chảy từ vùng núi Hòa Bình.

Ở thượng nguồn, lưu lượng của sông bất thường nên mùa mưa thì lũ quét lại thêm dòng sông quanh co uốn khúc nên dễ tạo ra những ghềnh nước lớn. Đến mùa khô thì lòng sông có chỗ cạn lội qua được nên thượng lưu sông Đáy thuyền bè không dùng được. Đoạn hạ nguồn từ thị trấn Vân Đình, Ứng Hòa, Hà Nội đến cửa Đáy được công nhận là tuyến đường sông cấp quốc gia.

Sông Đáy khi xuôi đến Vân Đình thì lòng sông rộng ra, lưu tốc chậm lại nên có thể đi thuyền được. Khúc sông đây men đến vùng chân núi nên phong cảnh hữu tình. Đến địa phận huyện Mỹ Đức, sông Đáy tiếp nhận dòng suối Yến (thủy lộ vào chùa Hương). Vượt đến tỉnh Hà Nam khi sông chảy vào thành phố Phủ Lý thì dòng sông Nhuệ góp nước từ phía tả ngạn. Sông Đáy tiếp tục hành trình xuôi nam đón sông Bôi (sông Hoàng Long) bên hữu ngạn từ miền núi tỉnh Hòa Bình và Ninh Bình dồn về tại ngã ba Gián Khẩu, cách thành phố Ninh Bình khoảng 10 km về phía Bắc. Đoạn này sông được gọi sông Gián Khẩu. Qua khỏi Ninh Bình khoảng 20 km thì bên tả ngạn có phụ lưu là sông Đào (sông Nam Định) thêm nước rồi tiếp tục nhận nước sông Vạc bên hữu ngạn. Gần đến biển, sông Đáy chuyển hướng từ Tây Bắc-Đông Nam sang Đông Bắc-Tây Nam rồi đổ ra vịnh Bắc Bộ ở Cửa Đáy, xưa gọi là cửa Đại An hay Đại Ác thuộc huyện Kim Sơn, tỉnh Ninh Bình và huyện Nghĩa Hưng, tình Nam Định.

Khác với các cửa sông khác ở miền Bắc như: cửa Ba Lạt, cửa Thái Bình, cửa Văn Úc,... vùng biển cửa sông Đáy phát triển thiên về xu hướng bồi tụ mạnh nhờ có nguồn bồi tích rất dồi dào từ hệ thống sông Hồng và cửa sông nằm ở vùng bờ biển lõm, tránh được các hướng sóng chính có tác động mạnh ở ven biển đồng bằng sông Hồng.[6]