据研究在数百万年前，泰晤士河已经沿现有河道路线流动，即途经牛津、伦敦等地而到达伊普斯维奇市流入北海。
在冰河时期末端，源头的冰层开始溶解，大量冰水涌入泰晤士河，使河道进一步发展，而成为今日的形态。
而在一万二千年前，英国乃与欧洲大陆版块连接，而泰晤士河的源头亦据称是位处威尔士，一直流到莱茵河汇合。
至后期版块发生移动，源头有所改变，而泰晤士河尽头也变成北海。
泰晤士河流经温带海洋性气候的平原区，水位稳定，流速较缓，河宽水深，腹地经济发达，极富航运之利。
在牛津以上的上游段仅可航行平底小船；牛津与伦敦之间可行驶驳船、小汽船、帆船及汽艇；伦敦以下可通行吃水十米的船只，而外洋班轮可抵伦敦东侧的提尔贝利。
伦敦以下的泰晤士河，牛津大学及伊顿学院即位于这些小城中。此外，还有一些其有历史性的活动在这里举行，如牛津与剑桥大学的划船比赛。
泰晤士河是英国最大的一条河流，发源于英格兰南部科茨沃尔德丘陵靠近塞伦塞斯特的地方，河流先由西向东流，至牛津转向东南方向流，过雷丁后转向东北流，至温莎再次转向东流经伦敦，最后在绍森德附近注入北海。
河流全长338公里，流域面积1.14万平方公里，多年平均流量60.0立方米/秒，多年平均径流量18.9亿立方米。流域地理位置西经2.08～东经0.43，北纬51.00～52.3。
泰晤士河水网较复杂，支流众多，其主要支流有彻恩（colne）河、科尔（kole）河、温德拉什（windrush）河、埃文洛德（evenlode）河、查韦尔（cherk）河、肯尼特（kennet）河、洛登（loddon）河、韦（wey）河、利（lea）河、罗丁（roding）河以及达伦特（darent）河等。
泰晤士河约长330公里，自源头至潮水线（即从泰晤士黑德到特丁顿船闸〔teddington lock〕）为226公里（140哩），再向下的104公里（65哩，亦即由该处至诺尔〔the nore〕沙岸）为河口湾，诺尔沙岸为河口湾过渡到大海的标志。
泰晤士河流域平均年降水量688毫米（27吋），地形结构复杂。上游排水区为一广阔三角形，以东面奇尔特恩丘陵（cern hills）与南面伯克夏当斯（berkshire dow）的白垩陡崖为界，其西为科兹窝德山，北为北安普敦高地。
泰晤士河在戈灵峡谷（goring gah dow）陡坡以北地区。其最后一条大支流梅德韦河（river ）郡低洼的维耳德（weald）大部分地区和伦敦以南的萨西克斯（sussex）地区。
在穿越缓缓起伏的低地时，泰晤士河突出的特色是具有宁静恬淡的田园风光。从莱奇莱德（lecde）到伦敦的平均落差每公里不到32厘米（每哩不到20吋）。
而且，潮汐和海水倒灌对下游的水位有极大的影响。在伦敦西郊的特丁顿，开始间歇性地受到潮汐的影响，在高潮位时持续约3个小时。
从淡水到河口湾区域的过渡地带离伦敦市中心不远，在巴特西（batteea）附近。伦敦都会区中心的伦敦桥处的水位，大潮时为7米（22呎），小潮时为5.5米（18呎）。
在潮汐河段上端的特丁顿，泰晤士河的平均流量为每秒53立方米（1，856立方呎），冬季雨后可上升到每秒130立方米（4，640立方呎）。在特大洪水期（如1947年3月），特丁顿拦河坝处的流量高达每秒590立方米（20，900立方呎）。
据说，1894年一次暴风雨后的一天，坝上溢流的平均流量高达每秒887立方米（31，310立方呎）。在洪水期，河水能够压住流进来的潮水，将潮水遏制在特丁顿以下很远的地方，使河水连续好几天朝海的方向奔流。
相反地，涨潮凶猛时也能够漫过拦河坝，顶住河水远至特丁顿以上3.2公里（2哩）。
汹涌的潮水对伦敦的地下基础设施、建筑物和居民具有潜在的灾难破坏力，因而促使在锡尔弗敦（own）修建泰晤士水门（1982年完成），并且沿整个潮汐河段，全面修筑辅助的挡洪栅。
小船在泰晤士河可以向上通航到源头附近克里克莱德（cricklade）的镇上桥梁，但电动游艇和大型游艇则在其下16公里（10哩）的勒契拉德（lecde）就得返回。
泰晤士河平缓地蜿蜒流过克里克莱德与牛津之间的第一个45公里（28哩）低地，经过凯尔姆斯科特庄园（kelanor）——19世纪设计师、社会主义者和诗人莫里斯（orris）的有山墙的石筑住宅，他就安葬在当地村庄的教堂墓地里。
在到达牛津之前，泰晤士河（又称伊希斯河，是泰晤士河在文学上的称号）折而向北，围绕着林木茂密的威萨姆（nor）山（两山从西面可俯瞰牛津市）迂回环转。
在伍尔弗科特（e）有一条侧流通往一座造纸厂，该厂自17世纪初至1943年一直为牛津大学出版社制造高级纸张。
环绕着碎石铺地的著名大学城，有多条交错的回水，每逢夏季，优雅的平底游船、8人划艇、单人划艇的活动十分兴盛。在那里还可以看到一些具饰纹的运河小船，经由牛津运河，往来于西密德兰（nds）与英格兰北部之间。
泰晤士河在牛津宽46米（150尺）。从北面接纳温德鲁希（windrush）河、埃文洛德（evenlode）河和查韦尔（cherwell）河等3支流后转而向南，经纳尼汉姆（nun