Nói về nơi bắt nguồn Sông Bưởi có điều rất đặc biệt. Sông này có hai nhánh, gần như không phân biệt được nhánh chính, phụ. Từ nơi bắt nguồn đến nơi hợp lưu với hướng cơ bản tây bắc - đông nam và gần như chảy song song với nhau, gần dài như nhau, lưu vực và lưu lượng nước cũng gần nhau. Một nhánh (coi là nhánh chính) bắt nguồn từ xã Phú Cường huyện Tân Lạc, sau khi thu nhận nước từ các con suối từ vùng núi Chu, cao 450 m thuộc xã Ba Khan huyện Mai Châu, của xã Phú Vinh, xã Phú Cường huyện Tân Lạc thành đầu nguồn của sông. (xem thêm Sông bưởi bắt nguồn từ đâu).Nhánh kia bắt nguồn từ vùng núi cao xã Trung Hòa, huyện Tân Lạc (ngang với xã Phú Cường về phía đông Bắc). Cả hai nhánh này, đều nằm ở phía nam hồ Hòa Bình, nơi bắt nguồn cách hồ này khoảng 7–10 km. Hai nhánh này chảy theo hướng tây bắc-đông nam qua địa phận huyện Tân Lạc, vào địa phận huyện Lạc Sơn, hợp lưu tại khu vực giáp ranh giữa xã Định Cư và Hương Nhượng, phía tây nam thị trấn Vụ Bản, huyện Lạc Sơn thành một dòng 20°27′21″B 105°26′52″Đ.

Sau đó sông hợp lưu với nhánh thứ ba bên tả ngạn cách đó khoảng 2 km, tại trung tâm thị trấn Vụ Bản, rồi tiếp tục chảy qua huyện Lạc Sơn, vượt qua phía tây Vườn quốc gia Cúc Phương. Nhánh bên tả ngạn ngắn hơn hai nhánh nói trên, cũng với 2 nhánh khá lớn là (Sông Vó, Sông Yên Phú) nhưng có nguồn nước dồi dào từ vùng núi đất cao của vùng Núi Cốt Ca cao trên 1000m và vùng núi phía đông nam của huyện Lạc Sơn, tăng nguồn nguồn thủy lực cho con sông lên gấp bội. Khi Đến gần Dốc Lào trong địa phận xã Thạch Lâm huyện Thạch Thành tỉnh Thanh Hóa, nó hợp lưu với một nhánh nhỏ phía hữu ngạn rồi chảy tiếp qua địa phận huyện Thạch Thành. Tới địa phận các xã Thạch Định, Kim Tân, nó đổi hướng thành bắc-nam và chảy ngoằn ngoèo qua địa phận huyện Vĩnh Lộc để sau cùng đổ vào bờ trái sông Mã, nơi giáp ranh các xã Vĩnh Thái, Vĩnh Khang (huyện Vĩnh Lộc) và Yên Thái (huyện Yên Định), tỉnh Thanh Hóa. Tổng chiều dài 130 km. Diện tích lưu vực 1.790 km², độ cao trung bình 247 m, độ dốc trung bình 12,2%, mật độ sông suối 0,59 km/km². Tổng lượng nước 1,65 km³, tương ứng với lưu lượng bình quân 52,2 m³/s và môđun dòng chảy năm 27,7 l/s.km². Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10, chiếm 80,4% lượng nước cả năm, lớn nhất vào tháng 9-10 (chiếm 27,9% lượng dòng chảy cả năm).