Sông Cầu chảy từ Bắc xuống Nam tỉnh, phân chia lãnh thổ thành 2 khu vực có hướng dòng chảy khác nhau. Phía Tây là các phụ lưu thuộc hữu ngạn sông Cầu, gồm các sông Chợ Chu, sông Đu, đều có hướng Tây Bắc – Đông Nam phù hợp với hướng địa hình. Phía tả ngạn có sông Nghinh Tường, sông Huống Thượng đều có hướng Đông Bắc – Tây Nam. Các phụ lưu tả và hữu sông Cầu đã làm cho sông Cầu ở Thái Nguyên có hình dạng lông chim rõ rệt. Hình lông chim khiến lũ sông Cầu không quá đột ngột.
Sông Cầu có lượng nước dồi dào, lưu lượng trung bình 135m3/giấy, cực đại vào mùa lũ 4.300m3/giây (năm 1959). Chế độ nước chảy theo mùa, phụ thuộc vào chế độ mưa.
Đây cũng là dòng chảy chính của sông Thái Bình, bắt nguồn từ phía Bắc Tam Tao (Chợ Đồn, Bắc Kạn) ở độ cao trên 1.200m. Sông Cầu chảy qua thị xã Bắc Kạn, T.P Thái Nguyên, T.P Bắc Ninh, T.X Phả Lại rồi chảy ra biển ở cửa Thái Bình (tỉnh Thái Bình). Sông Cầu từ nguồn đến Phả Lại dài 288km, độ cao bình quân từ nguồn đến Phả Lại là 190m, do vậy, độ dốc bình quân nhỏ, chỉ khoảng 16,1%. Dựa vào đặc điểm của dòng sông, có thể chia sông Cầu ra 3 đoạn:
– Thượng lưu, từ nguồn đến Chợ Mới (Bắc Kạn) chảy theo hướng Bắc – Nam, giữa vùng núi 400 đến 500m (có ngọn cao tới 1.326 đến 1.525m) nên lòng sông hẹp, lắm thác ghềnh, độ dốc lên tới 10%.
– Trung lưu, từ Chợ Mới đến Thác Huống, hướng chảy Bắc – Nam sau thành hướng Tây Bắc – Đông Nam, chảy giữa vùng đồi cao từ 100-300m, độ dốc đáy sông chừng 1%.
– Hạ lưu, từ Thác Huống ra cửa Thái Bình. Hướng chảy đoạn ở Thái Nguyên theo hướng Bắc – Nam, sau đó chuyển theo hướng Tây Bắc – Đông Nam trong đồng bằng Bắc Bộ. Độ dốc lòng sông rất nhỏ < 0,1%.
Sông Cầu có lưu lượng lớn, lưu lượng trung bình nhiều năm là 135m3/giây. Chế độ nước sông Cầu phù hợp với chế độ mưa. Mùa lũ chiếm 75% lượng nước, mùa kiệt chỉ chiếm dưới 25% lượng nước cả năm.
Sông Cầu có nhiều phụ lưu, những phụ lưu chính đều năm trong phạm vi Thái Nguyên, trừ con sông Cà Lồ chảy từ Vĩnh Phúc sang. Sông Cầu ít phù sa, chỉ có 380 triệu tấn/năm, nhưng phù sa rất tốt, chứa 3% can xi và P2O5, tỷ lệ nitơ + 0,77 – 0,88% (gấp 3-4 lần phù sa sông Hồng).
Sông Cầu đã làm nên nét văn hóa đặc trưng của vùng Trung du miền núi và vùng đồng bằng Bắc Bộ; là con sông huyết mạch giao thông đường thủy gắn kết kinh tế – văn hóa giữa các địa phương. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn ở Việt Nam, có vị trí địa lý đặc biệt, đa dạng và phong phú về tài nguyên cũng như về lịch sử phát triển kinh tế – xã hội của các tỉnh trong lưu vực của nó. Lưu vực sông Cầu hằng năm cung cấp hàng trăm triệu mét khối nước để phục vụ sản xuất và đời sống sinh hoạt của nhân dân và có chức năng giữ cân bằng hệ sinh thái và cảnh quan thiên nhiên toàn khu vực…
Tuy nhiên, trong quá trình khai thác nguồn tài nguyên phát triển kinh tế, lưu vực sông Cầu đang bị đe dọa do tác động của tự nhiên và của con người. Qua số liệu điều tra của các cơ quan chuyên môn và nhà khoa học cho thấy, lượng nước lưu vực sông Cầu đang có chiều hướng suy giảm, lũ lụt với cường độ lớn và tần suất cao, bồi lấp dòng sông và biến đổi dòng chảy diễn ra khá mạnh mẽ; cảnh quan sinh thái, thiên nhiên bị biến đổi, các nguồn lợi thủy sản có nguy cơ bị cạn kiệt, những nét đẹp văn gắn với truyền thống và bản sắc các dân tộc bị mai một, đặc biệt chất lượng nguồn nước sông Cầu đang có diễn biến khá phức tạp, nhất là khu vực hạ lưu sông Cầu do ô nhiễm từ các làng nghề, các khu công nghiệp, các đô thị, từ khai thác khoáng sản, các hoạt động sản xuất nông nghiệp…
Trước thực trạng đó, với vị trí và tầm quan trọng của sông Cầu, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Đề án tổng thể “Bảo vệ và phát triển bền vững môi trường sinh thái, cảnh quan lưu vực sông Cầu” tại Quyết định số 174/2006-QĐ/TTg. Mục tiêu của Đề án là giải quyết tổng thể ô nhiễm môi trường nước, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của các địa phương trên lưu vực sông và toàn quốc. Theo đó, Chính phủ đã chính thức thành lập Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Cầu, gồm 14 thành viên. Chủ tịch Ủy ban sông Cầu là Chủ tịch UBND một trong sáu tỉnh thuộc lưu vực, đảm nhiệm luân phiên, nhiệm kỳ đầu của Chủ tịch Ủy ban giao cho đồng chí Chủ tịch UBND tỉnh Thái Nguyên đảm nhiệm với thời gian là 3 năm, các nhiệm kỳ tiếp theo là 2 năm.
Qua 3 năm hoạt động, với tư cách là Chủ tịch nhiệm kỳ đầu – Thái Nguyên đã cùng các thành viên trong Ủy ban có nhiều nỗ lực trong hoạt động: tập trung chỉ đạo xử lý triệt để các nguồn gây ô nhiễm; kiểm soát chặt chẽ các khu vực bị ô nhiễm nghiêm trọng trong lưu vực; thực hiện nghiêm túc quy chế hoạt động của Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Cầu… nâng cao ý thức trách nhiệm của các cấp chính quyền, người dân, của các cơ sở sản xuất, các doanh nghiệp cùng chung tay bảo vệ dòng sông quê hương…