Nace en las estribaciones de la Peña Cebollera (también conocida como Pico de las Tres Provincias, en El Cardoso de la Sierra en la sierra de Ayllón, Sistema Central), justo en la confluencia entre las provincias de Madrid, Guadalajara y Segovia, junto la Angostura en los pinares y robledales de Cardoso (Guadalajara).

Discurre por las provincias de Guadalajara y Madrid. Sus afluentes son el Lozoya, el Guadalix y el Manzanares por la margen derecha; el Henares y el Tajuña por la izquierda.

En el primer tramo de su recorrido, bordea el hayedo de Montejo, constituyendo el límite entre las provincias de Madrid y Guadalajara. Se interna en la provincia de Guadalajara a la altura de La Hiruela, discurriendo por Colmenar de la Sierra, Matallana y El Vado, donde sus aguas son represadas en el embalse que lleva el nombre de la antigua población anegada (El Vado). Entra de nuevo en la provincia de Madrid a la altura del pueblo de Patones de Abajo, recibiendo el caudal del río Lozoya. A partir de aquí, sigue una dirección norte-sur, pasando por Talamanca de Jarama y, dejando a su derecha el municipio de Madrid a la altura del aeropuerto de Barajas. Pasado el aeropuerto recibe sus principales afluentes: Henares, Tajuña y Manzanares. Finalmente desemboca en el Tajo un poco antes de llegar a Aranjuez, constituyendo allí la mayor parte de su caudal.