Nace en Sierra Blanquilla, concretamente en la Lomas del Castaño, y desemboca en la bahía de Algeciras, por lo que pertenece a la demarcación hidrográfica de las cuencas mediterráneas de Andalucía.
El río Palmones sirve, en parte de su extensión, como límite entre los términos municipales de Algeciras y Los Barrios, y da nombre al barrio donde desemboca, la barriada de Palmones.
En el tramo medio, aportan sus aguas los arroyos de Valdespera y Valdeinfierno, el arroyo de Benarax, Matavacas y Botafuego.
En su desembocadura recibe a su afluente mayor, el río Guadacorte.
[2] En la antigüedad, los ríos Palmones y Guadacorte formaban en la desembocadura una gran marisma abierta al mar que con el tiempo se fue cerrando debido a la formación de un cordón dunar (que hoy forma la playa de El Rinconcillo y la playa de Palmones).