三川河由北川、东川、南川汇流而成，故名三川河。干流在山西省离石市以上称北川，发源于吕梁山北段西麓方山县的赤坚岭，流经方山县城，在离石市纳支流东川后始称三川河。再往下游6公里的交口镇汇入支流南川，然后流经柳林县城。于石西乡西河口村注入黄河左岸。河道全长176公里，入黄口高程624米。
东川有两个源头，偏北的一支叫小东川，发源于吕梁山脉的骨脊山，流向为东北西南向。偏南的一条叫大东川，发源于吕梁山西麓的神林沟，经吴城镇，以东南西北流向在车家湾汇合小东川后由东向西流经田家会，在离石市汇入三川河左岸。
南川发源于吕梁山西麓，山西省中阳县刘家坪乡凤尾村界牌岭，以北偏西方向流经中阳县城，在离石交口镇汇入三川河左岸。三川河干流可分为上中下游三段：由河源至圪洞镇（方山县城所在地）为上游，河道长49公里，比降8‰，河谷较窄，川峡相间。圪洞镇至离石市为中游，河道长52公里，比降4.7‰,此段河谷开阔,川地平坦,水利条件较好,是当地农业生产基地。离石市以下为下游，流向转为由东北向西南流，河道长75公里，比降3.8‰。此段由离石市至交口镇河谷较宽,交口镇以下至柳林县城河谷较窄,河道曲折,川地较少,柳林县城以下至后大成水文站河谷又放宽,平均宽800米左右,后大成以下为峡谷段,河道弯曲,水流湍急。
三川河是晋西汇入黄河北干流左岸诸多支流中第二大支流，流域面积4 161平方公里。按地形地貌特征，可分为三个类型区：土石山区、河谷川地区、黄土丘陵沟壑区。土石山区,分布于三条川的河源地区的吕梁山区,面积为1854平方公里,占流域面积的44.6%。此区地势较高,海拔高程多在1800米以上,植被良好,水土流失轻微。河谷川地区,即干支流沿岸川地,面积521平方公里,占流域面积的12.5%。此区由于水利条件较好，大多已发展成灌区，是当地农业的高产区。黄土丘陵沟壑区,即介于上述两个区域之间的地带，面积为1786平方公里,占流域面积的42.9%。此区丘陵起伏，黄土覆盖层厚50米左右，沟壑纵横，植被稀少，水土流失严重，是本流域洪水泥沙的主要来源区。区内旱灾频繁，农业生产水平低下。
三川河地处吕梁山的西南部，远离海洋，且有吕梁山、太行山屏障，大陆性气候特征明显。年平均气温北部在5℃以下，南部为9℃，绝对最高气温35℃，绝对最低气温-30℃。降水量由北至南递增，多年平均年降水量500～600毫米，7～9月降水量占年降水量的60%以上，且多暴雨，多年平均蒸发量1100毫米，全年无霜期北部90～150天，南部160～180天，全年日照时数2700小时左右。
据实测资料统计，三川河多年平均径流量1.99亿立方米,若加上柳林县泉水1.07亿立方米共为3.06亿立方米,地下水年可开采量0.16亿立方米,合计水资源3.22亿立方米。年最大径流量4.93亿立方米,最小年为1.64亿立方米,最大最小比值为3。多年平均输沙量2908万吨，输沙量的年际变化更大，最大年输沙量达8350万吨，最小年只有461万吨，最大最小比值达18。水沙年内分配集中，汛期（7～10月）水量占全年水量的60%左右，汛期沙量则占到95%左右。沙量往往又多集中在几次暴雨洪水中，造成大量的水土流失。
全流域水土流失面积2767平方公里，占流域面积的66.5%，每年输入黄河的泥沙2908万吨，流域平均每平方公里输沙量6989吨，若按水土流失面积平均，则高达每平方公里10510吨，而局部地区每平方公里的侵蚀量可高达2万吨。水土保持工作更是受到党和各级政府的高度重视，1982年8月16～22日召开的全国第四次水土保持工作会议，把三川河流域定为全国8个水土流失治理重点区之一。重点区治理以小流域为治理单元。
三川河流域矿藏资源丰富，主要矿藏品种有煤、铁、石棉、铝矾土、硫磺、石膏等。特别是柳林的煤，地质结构简单，煤层平缓，煤质好，低灰、低硫、强粘结、易洗选，为全国稀有的优质焦煤，享誉国内外市场。山西省和吕梁地区规划，将逐步把本地区建设成煤炭和重化工工业区。
