Se extiende entre las latitudes 30°15' y 31°20' sur, en un área cercana a los 11800 km².

El río está formado por la confluencia de los ríos Grande, que drena la parte sur de la cuenca del Limarí, y Hurtado, que drena la parte norte, Ambos tienen su origen en Cordillera de los Andes, pero el Río Grande tiene una cuenca dos veces mayor que el río Hurtado.

En su trayecto desde Ovalle al mar, el río Limarí fluye por valles muy abiertos, fuerte y repetidamente aterrazados con buenas tierras de cultivo.

En su desembocadura se encuentra el parque nacional Fray Jorge y el río atraviesa la cordillera de Talinay.

Desde el origen en la junta del río Hurtado con el Río Grande (Limarí) hasta su desagüe en el Pacífico el caudal tiene un régimen nivo-pluvial, con crecidas en noviembre y diciembre que llegan con los deshielos cordilleranos, pero también caudales considerables entre julio y agosto que traen las lluvias de invierno.

[1]​: 63 El caudal del río (en un lugar fijo) varía en el tiempo, por lo que existen varias formas de representarlo.