เป็นแม่น้ำที่แยกตัวออกจากแม่น้ำเจ้าพระยาที่ตำบลท่าซุง อำเภอเมืองอุทัยธานี จังหวัดอุทัยธานี กับ ฝั่งตะวันตกที่อำเภอวัดสิงห์ จังหวัดชัยนาท ไหลผ่านจังหวัดชัยนาท จังหวัดสุพรรณบุรี จังหวัดนครปฐม จังหวัดสมุทรสาคร ก่อนจะไหลออกสู่อ่าวไทยที่ตำบลบางหญ้าแพรก อำเภอเมืองสมุทรสาคร จังหวัดสมุทรสาคร มีความยาวทั้งสิ้นประมาณ 325 กิโลเมตร แม่น้ำท่าจีนมีชื่อเรียกหลายชื่อ ดังนี้
ตอนที่ไหลผ่านจังหวัดชัยนาท เรียกว่า "แม่น้ำมะขามเฒ่า"
ตอนที่ผ่านจังหวัดสุพรรณบุรี เรียกว่า "แม่น้ำสุพรรณบุรี"
ตอนที่ผ่านจังหวัดนครปฐม เรียกว่า "แม่น้ำนครชัยศรี"
ตอนที่ไหลผ่านจังหวัดสมุทรสาครและไหลลงสู่อ่าวไทย เรียกว่า "แม่น้ำท่าจีน"