源流は佐々里峠に発します。左京区広河原、左京区花脊を流れ、花脊の南部で西へと大きく流れを変えます。京都市右京区京北地区、南丹市日吉町、経由し亀岡盆地へと流れます。亀岡市縦断し、保津峡を流れ、嵐山で京都盆地に出て、伏見区で鴨川と合流、大阪府との境で木津川、宇治川と合流して淀川となります。
　
京北地区の流域にかけては「上桂川」、南丹市園部地区では「桂川」、南丹市八木地区から亀岡市にかけては「大堰川」、亀岡市保津町請田から京都市嵐山までは保津川下りで有名な「保津川（ほづがわ）」、嵐山から木津川、宇治川との合流地点までは再び「桂川」と呼ばれていますが、俗に「桂川」といえば嵐山から合流地点のことを指すことが多いです。

松尾大社の神幸祭「おいで」。6基の神輿と唐櫃が桂川をわたる「船渡御」は見物です。
松尾大社を出発した神輿と唐櫃が桂離宮横の桂川西岸の土手道につくと桂川の岸に降りて、桂川を西から東へと渡ります。