无定河穿过不同岩层构成的各河段，其特征很不相同。河源二巴图湾，称红柳河。新桥以上为黄土覆盖，以下为风沙覆盖。河床宽30～50米，深40～50米，小滩子附近深达60米，河床为土质组成，沿岸崩塌严重，跌哨沟湾附近，河流切入白垩系砂砾岩和砂页岩中，形成20米落差的梯级跌水。
巴图湾—鱼河堡河段、河床切入基岩，两岸谷深壁陡，左岩为风沙阶地，右岸为黄土丘陵。宽谷与峡谷交错出现。宽谷达700～1500米，河宽水浅，水流分散，多淤积沙滩，河床摆动不定，故名无定河。峡谷窄处仅十数米，分布在庙几畔到雷龙湾、响水堡到赵石窑间，河床切入侏罗系砂岩达20余米，多石质跌水，响水堡附近跌水落差达30米，瀑布声响彻云霄，故有响水堡之名。
鱼河堡—崔家湾河段。河道比较顺直，河谷宽约1000米，最宽3000米，在缓德、米脂及党岔、鱼河堡一带形成狭长的宽谷平原，沿河漫滩发育，一般宽300～500米，高出水面0.5～6米，一级阶地由6～8米的沙砾及黄土状土组成，二级阶地一般宽200～300米，在鱼河堡、党岔、上盐湾、四十里铺一带，分布较广而且完整。
崔家湾—河口段，为基岩峡谷，岸高谷深，河道曲折多湾，河床比降大，急流险滩80余处，石质河床稳定、水流集中。河谷宽100～300米，深50～80米。
(2)水文特征
无定河流域多年平均径流量15.3亿立方米，占黄河流域多年平均径流量628亿立方米的2.4％，流域面积占黄河的4.2％，可见无定河流域水资源是贫乏的。
表5.4 无定河主要支流基本特征
河流长度(公里) 平均比降(‰) 流域面积(平方公里) 多年平均径流量(亿立方米)
河 名 全河长 省内长 全河 省内 全流域 省内 全流域 省内
石瑶沟 38.0 38.0 6.74 6.74 405.89 405.89 0.23 0.23
海流兔河 69.7 47.1 3.79 2784.1 900 1.20 0.50
芦 河 162.8 162.8 3.91 3.91 2530.9 2530.9 1.35 1.35
黑木头川 42.2 42.2 5.87 5.87 462.81 462.81 0.25 0.25
盐子沟 32.9 32.9 7.93 7.93 165.16 165.16 0.09 0.09
榆溪河 97.8 3.57 5082.9 3843 2.53 2.06
东西岔 37.8 37.8 7.32 7.32 341.79 341.79 0.20 0.20
马湖峪 41.7 41.7 6.49 6.49 369.63 369.63 0.24 0.24
小川沟 42.3 42.3 8.10 8.10 285.79 285.79 0.19 0.19
大理河 159.9 159.9 3.16 3.16 3904.24 3904.24 2.09 2.09
小理河 67.0 67.0 5.50 5.50 820.76 820.76 0.46 0.46
淮宁河 94.8 94.8 5.13 5.13 1218.88 1218.88 0.68 0.68
延家川 39.7 39.7 8.46 8.46 426.7 426.7 0.23 0.23
李家川 32.2 32.2 14.0 14.0 317.89 317.89 0.13 0.13