Sông Cầu bắt nguồn từ phía nam đỉnh Phia Bioóc (cao 1.578m) thuộc huyện Chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn. Sông chảy qua địa phận Thái Nguyên, Hà Nội, Bắc Ninh, rồi hợp lưu với sông Thái Bình tại Phả Lại (Hải Dương).

Những chi lưu chính của nó là sông Công, sông Đu và sông Cà Lồ. Lưu vực sông Cầu rộng 6.030km2, dòng chính dài 290km, có 26 phụ lưu, nằm trong vùng mưa lớn (1.500-2.700m/năm) của Bắc Kạn và Thái Nguyên. Tổng lưu lượng nước hằng năm đạt 4,2 tỉ mét khối.

Cũng giống như nhiều con sông có lưu vực rộng lớn, chảy qua những địa bàn có nhiều tụ điểm dân cư sinh sống, vấn đề ô nhiễm nước sông Cầu đang đặt trước tình trạng báo động khẩn cấp.

Những cánh đồng, những nương rẫy, đồi chè bạt ngàn hai bên sông Cầu được chăm bón bằng phân hoá học và thuốc bảo vệ thực vật. Chỉ tính riêng các vùng sản xuất nông nghiệp hiện sử dụng lượng phân hoá học khoảng 500.000 tấn/năm, lượng dư thừa đổ vào lưu vực sông Cầu khoảng 33%. Tại các vùng thâm canh rau, lượng thuốc bảo vệ thực vật và phân hoá học được sử dụng cao gấp 3-5 lần so với diện tích trồng lúa.

Có khoảng 200 làng nghề nằm rải rác hai bên sông cũng đang ngày đêm hoà vào sông lượng nước thải lớn, hầu hết chưa qua xử lý. Theo thống kê của Cục Bảo vệ Môi trường trên lưu vực sông Cầu hiện có trên 2.000 doanh nghiệp sản xuất công nghiệp với các nghề như luyện kim, chế biến thực phẩm, chế biến lâm sản, vật liệu xây dựng v.v...

Nhiều doạnh nghiệp đang xả trực tiếp nước thải ra sông Cầu, kể cả các nhà máy trong Khu công nghiệp Sông Công ở Thái Nguyên. Ngoài ra còn rất nhiều điểm khai khoáng với quy mô nhỏ, đều trực tiếp hay gián tiếp xả nước thải vào hệ thống sông Cầu.