沂河发源于沂源县，有南、北两源。北源源于沂源县西北三府山；南源为大张庄河，为沂河主源，发源于沂源县西南县界牛角山北麓，流经沂源、沂水、沂南、临沂、兰陵、郯城等6县市，流入江苏省邳州，至骆马湖，又东出湖经新沂河由灌河口入黄海。河全长386公里，其中山东省境内河长287.5公里。流域总面积11600平方公里，其中山东境内10772平方公里。山东境内河道平均比降1.55/1000，流域内支流密布，较大支流都从右岸注入，山东境内河网密度为0.29公里/平方公里。

    沂河由源地至沂源县东里店为上游，河长63.5公里，河道平均比降为2.7/1000。沂河在沂源县永兴官庄南，里仁庄河由右岸注入。里仁庄河发源于沂源西南张家旁峪村，东北流注入沂河，河长23公里，流域面积147.6平方公里，河道平均比降8.7/1000。
    沂河东流经田庄水库，又东流至南麻东南，螳螂河北来注入。
    沂河又东流，至沂河头而东南流。该河段在田庄水库以上，谷深河窄。田庄水库以下，河谷逐渐开阔，河道较为顺直。沂河头至东里店，局部有峡谷河段，两岸悬崖峭壁相对，河道弯曲迂回。
    自东里店至临沂为中游，河长145公里，河道平均比降0.92/1000。沂河由东里店东南流，经跋山水库，至沂水折而南流，在沂南县新兴南，东汶河西来注入。
沂河又南流，至沂南县朱阳西南，蒙河西来注入。
沂河又南流，至临沂城东北，祊河西来注入。
临沂以下为下游，山东省境内河长79公里，该河段流经于冲积平原，河槽宽浅，沙洲密布，枯水时水流散乱，河道平均比降0.51/1000。沂河南流至刘道口，有分沂入沭（沭河）水道。
沂河又南流到江风口，有邳苍分洪道。
沂河又南流至郯城县吴家道口入江苏省境。