黃河發源於青海巴顏喀拉北麓的占宗列運河，海拔5400多米，周圍群山終年積雪。黃河源頭有壹片星海，是無數小湖的沼澤。離開星海後，進入鄂陵湖、紮陵湖至瑪多，繞過積石山、西青山，穿越龍羊峽至青海貴德，全長1900多公裏。上遊段從歸德到綏遠省河口鎮，全長1500多公裏。黃河在甘肅，經過很多大峽谷，匯聚了很多支流。中遊從河口鎮到玉瑾，全長1100多公裏。河水向南流，流經黃土高原，攜帶大量泥沙，奔湧而下，至壺口，地勢險峻，形成壺口瀑布，再經龍門峽至潼關，河道變寬，因秦分、洛河、瀟水支流匯合，水量大增。河道到潼關時被華山阻斷，轉向東，過三門峽到羅瑜，然後進入平原地區。下遊段從金夢至山東利津縣流入渤海，全長870多公裏。由於泥沙淤積，水流緩慢，兩岸築堤，成為地面以上的地上河流。
黃河源頭和上遊河段最曲折，中遊河段次之，下遊河段順直。從蘭州到潼關，河流繞過壹個長方形的三面，就是著名的河套，長約2000公裏。古代河流下遊漂流，有時河水在山東丘陵北部流入渤海，有時又在山東丘陵南部奪取淮河流入黃海，距離達500公裏。
歷史上黃河泛濫過城市。據記載，2000多年來，黃河下遊決堤1500多次，大規模改道26次。洪災區北至天津，南至江蘇、安徽，達25萬平方公裏。河水攜帶的沈積物總量平均每年超過16億公噸。由於下遊河段地勢較低，河道坡度平緩，流速降低，大量泥沙淤積在河床上，平均每年4億多公噸，其余泥沙流向河口，沖積成向大海延伸的河口三角洲，平均每年填海造地20多平方公裏。黃河流域土壤肥沃，物產豐富，山川壯麗。居民幾乎占中國總人口的四分之壹，而耕地約占全國的40%。
黃河流域以北緯32-42，東經96-119為界，南北相差10緯度，東西相差23經度，流域面積75.2萬多平方公裏，全長5464公裏，源頭至河口落差4830米。石質山區占29%，黃土丘陵區占46%，風沙區占11%，平原區占14%。各地自然景觀差異很大，尤其是世界上最大的黃土高原，水土流失非常嚴重。
黃河流域屬於大陸性氣候。蘭州以上大部分地區為半濕潤地區，蘭州以下為西北幹旱地區，南部和東南部濕潤地區，其余為半幹旱半濕潤地區。冬季受蒙古高壓控制，盛行偏北風，氣溫低，降水少；春季蒙古高壓減弱，西太平洋副熱帶高壓開始向北向西延伸，氣溫升高，降水增多。夏季大部分地區受西太平洋副熱帶高壓影響，偏南風，水汽充沛，是壹年中雨水最多的時期；秋季西太平洋副熱帶高壓逐漸減弱，蒙古高壓南傳，降水開始減少，但經常出現連續陰雨天氣。氣溫的區域分布特點是從南到北、從東到西逐漸降低。年平均氣溫最高地區高於14℃，最低地區低於-4℃。洛陽盆地年極端最高氣溫為44.2℃，河源地區年極端最低氣溫為-53.0℃。降水量從東南向西北逐漸減少，多年平均年降水量最大的地區是秦嶺，局部超過900毫米，年降水量最多的站是泰山峰，達到1108.3毫米；年降水量偏少的地區是內蒙古杭錦後旗和何琳，在150 mm以下，年降水量最少的站是內蒙古杭錦後旗的山壩，只有138.4 mm，上遊降雨強度小，持續時間長，暴雨很少，日降水量很少超過50mm；中下遊降雨強度大，持續時間短，暴雨較多。陜西內蒙古交界處的烏審旗，1977年8月1日下了壹場暴雨，暴雨中心全是樹。1400小時期間降雨量為1400毫米(調查值)，超過世界紀錄。三門峽至花園口之間，1982年7月底至8月初有壹次暴雨。宜陽縣石鎮鎮24小時降雨量734.3毫米，也是黃河流域罕見的大暴雨。
由於受氣候、地形、地貌等自然地理景觀的影響，黃河水文情況十分復雜，主要有以下三個特點:
首先，徑流在時間和空間上變化很大。幹流豐水年與枯水年之比為2.5~3.5倍，支流為2.5~40.8倍。各區域年徑流變異系數為0.1 ~ 0.53。多水區與枯水區徑流深相差140倍以上。年徑流系數最大為0.7，最小僅為0.01。
二是汛期長，洪水多。壹年有雨季、秋汛、秋汛、桃汛四個汛期，歷時10個月。夏秋季的汛期稱為汛期，由降雨形成。其洪水源頭在蘭州以上，山西與陜西之間，龍門與三門峽之間，三門峽與花園口之間，大汶河流域。上遊洪水波動緩慢，持續時間長。蘭州水文站洪水平均歷時40天，最長66天，最短22天。中遊洪水波動較快，尤其是晉陜地區，持續時間較短。幹流龍門站平均洪水歷時46小時，最長80小時，最短20小時。連續洪水壹般3-6天，平均洪水8小時，最長30小時，最短2小時。支流洪水更加猛烈；下遊幹流洪水主要來自中遊，其特性與源頭有關，但也受到高含沙河床及灘區建築物的影響，往往造成洪水演進規律的異常變化。淩汛主要發生在寧夏、內蒙古和黃河下遊，都是由冰塞和冰壩形成的。黃河下遊的冰情極不穩定。大約有十分之壹的年份不封河，有的年份封河三次。20世紀60年代以來，由於三門峽、劉家峽水庫的防淩調度，冰情發生了很大變化，冰災得到了緩解。而鹽鍋峽水庫至劉家峽河段在1961~1962處達到曲流，青銅峽水庫上遊在1967~1968處達到曲流。桃洪是寧夏、內蒙古到達河道時，河道內冰水融化、蓄水形成的冰川洪水。桃花季順流而下，洪峰低，波動緩。1972後，為下遊灌溉，三門峽水庫調蓄桃洪水，下遊無桃洪峰。
三是含沙量高，水沙來源不同。黃河上遊蘭州以上，中遊三門峽以下，水多沙少。黃河中遊三門峽以上水少沙多。由於黃河流經黃土高原，水土流失將大量泥沙帶入黃河。支流窟野河溫家川水文站最大含沙量達到1.700kg/m3。幹流陜西水文站多年平均輸沙量達654.38+0.6億噸，形成世界第壹的多泥沙河流。由於河流含沙量高，帶來了特殊的徑流、匯流、產沙和輸沙規律，造成了河道遊蕩、河床劇烈變化和水位無常變化。