Sua extensão é de aproximadamente 2.500 km, desde a sua origem, na confluência do rio Maranhão com o rio das Almas (Goiás), até a foz, na baía de Marajó (Pará). Tem uma configuração alongada no sentido longitudinal, que segue os dois eixos fluviais – o Tocantins e o Araguaia – que se unem no extremo norte da bacia hidrográfica. O Tocantins desemboca no rio Pará, que corre ao sul da ilha de Marajó e pertence ao estuário do rio Amazonas. Considera-se o rio Pará como um paraná, isto é, um braço do rio Amazonas que recebe as águas do Tocantins (ou um canal de ligação entre os dois rios).

O relevo é considerado monótopo, com altitudes variando entre 3500m e 5000m, exceto nas nascentes, onde chega a mais de 10.000m. Na região de Tucuruí, as altitudes são inferiores a 10m.