发源于长白山东麓的园池及朝鲜境内的赤峰附近,江水由南向北流经中国的和龙市、龙井市、图们市、珲春市四县(市),朝鲜两江道、咸镜北道,俄罗斯的滨海边疆区的哈桑区,在俄罗斯与朝鲜边界处注入日本海。流域面积为33 168平方千米,其中中国一测面积为22 632平方千米,约占总面积的三分之二。
根据水源条件,图们江分为河源区、上游区、中游区与下游区。①河源区。有不少支流流入,朝鲜方面有红土水、红丹水、小红丹水,中国方面有母树林河、弱流水等。这些支流的共同特点是大部分源于长白山火山锥体,所以海拔高度大,其上段多为时令河、暗流,中、下段植被覆盖度大,水相对清澈,流量变化小,河道较直而狭窄。②上游区。从红丹水流入图们江之处至和龙市南坪的河段。河谷深而狭窄。③中游区。从和龙市南坪至珲春市的甩湾子之间的河段。长度为241千米。河道为山间曲流,但是到了三合、开山屯、土门等流域形成了山间盆地。④下游区。从甩湾子到河口之间的河段。长度为146.5千米。河岸平坦,坡降小,河中岛和沙洲多。
图们江流域属于中温带湿润季风气候区,春季干燥多风,夏季温热多雨,秋季凉爽少雨,冬季寒冷期长。年平均气温为2~6℃,极端最低气温为-23~-24℃,最高气温在34~38℃,无霜期为100~150天。平均降水量为400~650毫米,上游地区达1000~1500毫米,降雨集中在6~8月。