嘉陵江源于秦岭，东源起自陕西凤县西北部，向西南流经略阳徐家坪，与源自甘肃天水的西源—西汉水汇流，向南经阳平关入川，至广元昭化与白龙江汇流（长576千米）。后流经剑阁、苍溪、阆中、南部、蓬安、南充、武胜等地，至市境合川接纳渠江与涪江，于重庆注入长江。干流全长796千米。流域内支流众多，流域面积在500平方千米以上的一级支流有17条，其中较大的支流左岸有渠江、东河，右岸有涪江、西河、白龙江等，共同组成一个树枝状水系。流域面积 158 000平方千米，其中干流 83 640平方千米，在长江支流中长度仅次于汉水，流量仅次于岷江。
嘉陵江流域地势是西、北、东三面高而东南低。干流北跨秦巴山地，南延至四川盆地腹部，广元昭化以上为上游，长357千米，展布于海拔 1 000～3000米的秦岭、摩天岭—米仓山中、低山地带，河流深切于崇山峻岭之中，山河相对高差400～1000米，河床纵比降大，平均为3.8‰，多数河段河谷狭窄，水流湍急，河谷呈V形，谷坡40°以上，岸坡支沟、溪流出口处，多冲积堆或洪积扇，暴雨时常发生崩塌、滑坡或泥石流。河道中多礁石与岩滩。在少数山间盆地中和广元至昭化一带，河谷较宽广，水流迂回，河床有卵石河漫滩与心滩，河岸有断续延伸的阶地。
昭化至合川为中游段，长633千米，斜贯于低山、深丘与浅丘陵地带，河床纵比降比上游平缓，平均为0.3‰，河道由上而下逐渐开阔，水面宽约70～400米，河曲发育。除昭化附近河流横切海拔900～1 100米的剑门山区，形成谷宽约300米和水面宽80米的深长峡谷段外，其余广大地区，两岸是海拔600～900米以下的低山丘陵地，河谷为宽300～800米的不对称U形和浅凹形，水面增宽至为100～400米，河床常为卵石、砂砾覆盖或间有基岩出露，并有河漫滩、沙洲或心滩分布，水流迂回于深槽浅滩间，凹岸及凸岸分别有陡坡与缓坡。沿岸有5级阶地，其中以高出枯水面20～25米的1级阶地保存较好，面积最大，并在局部地段与方山浅丘相接，构成面积较为广阔的缓丘平坝，如蓬安、南充一带。
在市境合川以下的下游段，长93千米，大部分流经盆东平行岭谷地带，谷宽400～600米，水面宽150～400米，纵比降0.2‰～0.3‰，河流横切华蓥山伸向西南的三条支脉，形成V形峡谷，即著名的嘉陵江小三峡。峡谷两岸为600～980米的山岭夹峙，谷窄壁陡，岸高水深，水面宽150～200米。除小三峡以外，丘陵起伏，谷底有卵石河漫滩、沙洲，河岸多阶地，河道沱、峡相间，遇硬岩横亘则成“碚”。峡、碚、沱、滩相间成串是这段河谷地貌的突出特征。
流域年降水量大多在1 000毫米以上，50％集中降于7、8、9三个月。上游山区多大风暴雨，有“一雨成灾”之说，冬春多风，最大风力可达10级。
河流补给主要是降雨，降雨占总补给量的80％。地下径流的补给以涪江最大，渠江最小。由于流域内降水丰富，多年平均年水量很大，北碚站达467亿立方米，为宜昌站来水的19.4％，超过黄河多年平均径流量的1.32倍，为岷江年水量的75％。11～翌年4月为枯水期，2月水位最低，枯水期水量约占年水量的15.5％～20.2％。5月开始涨水，6～10月为汛期，以7月水量最大，但上中游9月方达最大。因干流上游暴雨出现较迟，而下游则是涪、渠两江来水所致。由于水系呈向心状，干支流洪水容易集中，常形成历时短暂的高洪峰，往往与四川的岷江洪峰汇遇于长江，使长江流量迅速增大，酿成长江中下游的洪灾。嘉陵江径流的年际变化较大，含沙量为市境最大的河流。上游黄土疏松，中下游紫红色砂岩易于风化，加以坡度较大，过度与不合理的耕垦，植被覆盖率低，致地表径流的坡面侵蚀强烈，水土流失严重，成为流域内泥沙的主要来源，北碚站的多年平均含沙量为2.25千克／立方米，一般年份的输沙量约为1.7亿吨，约占宜昌站年输沙量的30％。