北海道河西郡芽室町と帯広市との境に位置する日高山脈支稜線の帯広岳（標高1,089m）に源を発し、十勝平野を芽室町と帯広市の境界付近に沿って北東に流れる。新帯広川を分けた後、帯広市中心部を東に流れ札内川に合流する。帯広市内ではいくつもの橋がかかっており、市民にはなじみの深い川である。
新帯広川は、増水時の帯広市中心部の被害を防ぐための放水路で、JRの帯広貨物駅の西側で北に分け、直接十勝川に放流している。
十勝支庁舎付近より下流の蛇行していた部分は、河川改修により直線的な流路に変更されている。元の流れが旧帯広川として一部残されている。
