呼兰河发源于小兴安岭西南麓的炉吹山（一说达里带岭 ，另说太平岭西麓 ），其源头有两条支流汇成，一条是下小呼兰河，另一条是上呼兰河，至桃山正西3公里处2河相汇，同入呼兰河。呼兰河源头水从呼源沟等地流过鸡岭、圣浪、神树、石长等地，历史上称上述四个林场等为呼兰河上游地区，此条河流也被称为大呼兰河。 干流自东向西流动，与通肯河汇合后开始南流，流经铁力、庆安、望奎、绥化、兰西、呼兰等12个市县 ，于哈尔滨市东北约1公里处（呼兰区张家庄附近）从北岸注入松花江。全长523公里，流域面积35683平方公里，其中哈尔滨境内为1733平方公里，是松花江哈尔滨江段最大的支流。呼兰河右岸接纳通肯河、克音河、努敏河、依吉密河等，左岸接纳安帮河、泥河等，水系呈扇形树枝状。流域内干支流总长度6748公里，河网密度为0.218公里/平方公里，弯曲系数为2.53。河流两侧面积明显不对称，不对称系数为1.43。
呼兰河在铁力市境流长为80公里，派出小兴安岭（布伦山）的太平岭，上游称太平沟。
太平沟上游，其源头有两条支流汇成，一条是下小呼兰河，为呼兰河两大源流中最长者，全河在桃山林场境内，由东北向西南方流向，发源于呼源与铁力林业局交界处22林班，流经鸡岭、圣浪、神树、石长、桃东等5个场所，流至桃山正西3公里处与呼兰河另一源流上呼兰河相汇，同入呼兰河。全河主干流长70公里，有大小支流40余条，源头河宽不足半米，绕山穿谷，桃山西境最宽河道达50米，最浅处不足0.05米，最深入达3米，流量最大为每秒15立方米，最小为5立方米。
另一条是上呼兰河，为呼兰河上游又一源流，是桃山第二大河，全河也在桃山林场境内，由东南向西北流向。发源于奋斗经营林场上游，流经奋斗、南河、上呼兰、柳河、春光、桃东等6个场所，至桃山正西3公里处与下小呼兰河汇集后同入呼兰河，全河流长67.5公里，有大小支流30余条，源头河宽也不足半米，至桃山西境最宽河道为45米，最浅处为0.03米，最深处为2.5米，最大流量为每秒12立方米，最小为每秒4立方米。
下小呼兰河、上呼兰河汇合后，这段称为大呼兰河，支流有依吉密河、安邦河和小呼兰河。水深1.20米，汛期4.50米。河底为砂质，最大含砂量960克/米。在1945年以前，该河自大口面（铁力年丰乡大口门）以下，可行帆船。
呼兰河出铁力市境，于丰田乡柴德福屯东南入庆安县境，从东向西流经丰田乡、勤劳镇、平安镇、久胜镇、致富乡、欢胜乡等乡镇的部分地区，于欢胜乡永利村所辖腰窝堡屯西北流入绥化市界。境内流长70公里，多年平均地表径流量为6.78亿立方米。
呼兰河出庆安县，自东向西流，为望奎县与绥化市的南北界河。流经望奎县境是呼兰河的中段，由海丰镇恭头一村向阳屯入境。经卫星镇、通江镇坤南前村林场，进人兰西县境内。境内流经50公里（直线计算），流域面积720平方公里，河道弯曲系数为1.8-1.9，河道平均比降约为1‰，平均水深3-4米，每秒流量289立方米，河口平均流量为93.7秒立米。沿河右岸大部分地区较陡，由通江镇的“二龙眼”到三大家村，约15公里无陡岸，岸高10米左右，易出槽泛滥，沿河筑有堤防。境内呼兰河结冰期4个半月左右，常年12月至1月水位低下，4月春汛，5月春旱，7、8、9月时有洪泛。
呼兰河穿流庆安县，由五营乡东围子入绥化市境。市内俗称北大河，东至西南流向，流经双河、利民、津河、秦家、兴福、东富、新华、太平川等乡镇，从连岗乡新发村出境。境内全长82公里，平均宽度110米，平均深度3米，境内流域面积1,524平方公里。建国以来最大洪水流量为2,580立方米/秒，最小流量为2.10立方米/秒（秦家乡水利站1961年测流）。 市境内河段，左岸纳入的支流有小呼兰河、安邦河、拉林青河、格木克河，右岸纳入的支流有伊吉密河、欧根河、墨尔根河、诺敏河等，至通江镇后与右侧最大支流通肯河汇合，南折以后与左侧支流混合汇合，是绥化市主要河流，横贯全市东部和中部。
呼兰河经望奎西南部流入兰西县境，流经兰西县的临江、长岗、北安、红光、兰郊、兰河、康荣、榆林等8个乡镇，从榆林镇的林河村出境，全长72公里。沿途有泉眼沟、八岔沟、颜家沟、泥河等水注入，河流最宽处130米，最窄处10米，最深处10米，最浅处2米。境内最大流量每秒4460立方米，最小流量每秒0.025立方米。
呼兰河出兰西县，自孟家乡张家围子流入呼兰区境内，经孟家、台屯、乐业、利民、呼兰镇、腰堡6个乡镇，境内流长70公里。于张家庄附近从北岸注入松花江。
河流上游流经小兴安岭山区，河流比降为2%；中游流经小兴安岭余脉及丘陵地带，支流较多，河道比降为0.33-0.25‰，两侧为宽阔的洪泛区。耕地集中；下游流经平原区，河流蜿蜒曲折，泡沼增多，河道比降为0.2‰，水流缓慢。河槽平均水深3-4米。
