Điểm bắt đầu của nó là cống Liên Mạc, lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc của nó là cống Phủ Lý khi hợp lưu vào sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam). Sông chảy qua các quận, huyện, thị trấn gồm quận Cầu Giấy, Hà Đông, huyện Từ Liêm, Thanh Trì, Hoài Đức, Thường Tín, Thanh Oai, Phú Xuyên và cuối cùng đổ vào sông Đáy ở khu vực thành phố Phủ Lý. Diện tích lưu vực của nó khoảng 1.075 km² (phần bị các đê bao bọc). Ngoài ra, nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua quận Hà Đông), sông Tô Lịch, sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Độ v.v...
Năm 1831, vua Minh Mạng ra đạo dụ thành lập tỉnh Hà Nội gồm thành Thăng Long, phủ Lý Nhân v.v. Sông Nhuệ và sông Hồng được lấy làm gianh giới của tỉnh Hà Nội. Tên Hà Nội có nghĩa là "bên trong sông" tức là khu vực giữa 2 con sông này.
Phía sau nhà tôi là một dòng sông xanh mát
Nơi đầu nguồn con nước (cửa sông Hồng đổ vào sông Nhuệ)
Xóm chài
"Trên bến dưới thuyền"
Câu cá cuối tuần
