伊犁河发源于天山山脉，其正源特克斯河发源于汗腾格里峰北侧的冰川群，自西向东流，在东经82°以东折向北流，于巩乃斯种羊场附近与东面来的巩乃斯河相汇后称为伊犁河。伊犁河自东向西流出国境，最后注入哈萨克的巴尔喀什湖。全长1500公里，是世界上较大的内流水系之一。它大部分流经哈萨克境内。中国境内仅是它的上游，长441公里，流域面积约为6.5万平方公里。
伊犁河上游三面高山环绕，唯西部留有缺口通道，西来的水汽长驱直入，降水丰富，成为全疆最湿润的地区。同时周围高山冰川发育，故伊犁河水源丰富，有季节融雪、冰川融水、降雨及泉水等多种补给方式，年平均河水总量为129.3亿立方米，占全疆河水总量的20％以上，是全疆水量最丰富的河流。
伊犁河自巩乃斯种羊场以下到国境长170公里，河床坡度平缓、宽阔，水流平稳。伊宁附近河床宽1000米以上，河水分汊多沙滩，河渠纵横。远在清朝初期这里就已得到开发垦殖。
伊犁河支流众多，均源于天山山麓，除特克斯河以外，较大的尚有巩乃斯河及喀什河等，它们的流向均与天山山脉的走向平行，分别迂回在南、中、北天山间的宽阔谷地之中，水流缓慢，河漫滩上广泛分布着牧草和沼泽，在汇入干流前均切穿东西走向的山岭而形成峡谷陡坡段。
特克斯河自西向东，沿途汇聚了来自海拔5500米以上的哈尔克山北麓的众多支流，水量特别丰富，约占伊犁河径流总量的1/2。巩乃斯河在中天山南面，流域内地势较低，支流少而小，主要水源为季节融雪及山泉，故水量不大。喀什河位于北天山与中天山之间，东西流向，流域地势较高，冰雪水源丰富，支流众多，南北支流与喀什河正交入汇，呈篦状水系，为伊犁河的第二大支流。
伊犁河各支流海拔高度不一，其主要补给水源也各不相同，大河以冰川融水为主，中河为冰川融水和降雨混合水源，流短源低的则以春季融水为主要水源。而伊犁河全流域各种水源都占有一定的比重，因此就延长了干流的汛期，故有利于农业春播和夏秋用水。伊犁地区土地面积仅占全疆3.6％，而河流水量却占20％以上，水量虽多但利用率不高，今后如何充分合理利用这项宝贵的资源，还有待进一步研究。