Река берет свое начало в месте слияния двух истоков: Карадарьи и Нарына. Исток Нарына находится в Семиреченской области и вытекает из ледников на нагорьях Тянь-Шаня (3 750 метров выше уровня моря). До соединения с Нарыном, Карадарья протекает около 120 км по живописной долине. После слияния воды Нарына и Карадарьи текут уже под названием Сырдарья. Бассейн Сырдарьи расположен на территории республик Кыргызстан, Таджикистан, Узбекистан, Казахстан. Огибая хребет Могл-тау, Сырдарья образует Биговатские пороги.
Главные притоки: Касансай, Гавасай, Шахимардан, Сох, Чаадаксай, Исфайрамсай, Исфара, Ходжабакирган…
Замерзание: Ледостав на реке начинается в конце ноября, а вскрытие происходит в конце марта. У Ходжента Сырдарья часто совсем не замерзает.
Древнее название реки - Яксарт, древние греки называли ее Танаис.