流经
山西省、
内蒙古自治区、
河北省、北京、
天津市等5省市27个县市，从
怀来县幽州村南流入北京市，经门头沟区、石景山区、丰台区、
房山区、
大兴区，自大兴
崔指挥营东出市境域。全长650千米。
上游分南北两大支流，北支为洋河，发源于内蒙
兴和县，南支为
桑干河，发源于山西省
宁武县，两大支流在朱官屯汇合后称
永定河，于官厅水库下游流入市境，市境域内主河道长189千米，流域面积3168平方千米，占全市面积的18．9%，其中山区面积2491平方千米，河床最宽处为3800米。主要支流有
妫水河、清水河、天堂河等。
流域内有
笔架山、青水尖、九龙山、
黄草梁、百花山风景区、
东灵山，以及永定河纪念林区、永定河峡谷、永定河绿野高效农艺园、永定河观光旅游带、珍珠湖、龙泉水上乐园、东方骑士中心及
鹰山森林公园等。
古迹有
卢沟桥、
灵岳寺、
爨底下村、金门闸、南海子沙龙遗址、
求贤坝遗址、十里铺古渡口、
门头沟区卧龙岗、丰台鹰山及明代石堤等。河上有大、中型桥梁48座，
京广铁路、
京原铁路、
丰沙铁路等跨河而过。
建有
官厅水库、
斋堂水库、苇子水水库等大型水库。1985年被列入中国四大重点防洪河道之一。
1987年7月，第一届“醒狮杯”越野赛跑（见杯赛），利用
永定河河床的滩地，划定路线，进行比赛。
2020年4月20日开始，2020年永定河春季生态补水工作正式启动，官厅水库将于上午8时开闸放水，向下游永定河流域北京段进行生态补水，水量约2.6亿立方米。力争到5月中旬，水头能沿着河道在北京境内“穿行”170公里，实现25年来永定河流域北京段首次全线有水。
秦和西汉时，称“治水”；
东汉时期，下游仍称“治水”，上游因源于累头山，则称“氵纍水”；三国、两晋、
南北朝，一直相沿称“氵纍水”；在
晋朝时，北京以下河段曾名“清泉河”。398年拓跋部的
拓跋珪建国“魏”，当时位于今山西朔县洪涛山下的河水，命名为“溹水”。
卢即黑，遂将芦菰之“芦”改为卢，以解水之“黑”意，“菰”与“沟”谐音，因而由芦菰河转讹为
永定河。
辽金至
清代，皆称“卢沟河”。元、明以来，因
涿鹿县、
怀来县以下河水含沙量大，故又有“小黄河”、“浑河”等别称。
因其迁徙无常，俗称“
无定河”。永定河的名称始于清康熙三十七年（1698），据《南惠济庙碑文》记载，清政府在
卢沟桥以下至狼城河筑堤后，为使河道永久安定，造福民众，因而赐名为永定河，并封为河神。
永定河历史上曾留下多条故道，其中离北京最近的大型故道有3条：第一条是由
石景山区衙门口东流，沿
八宝山北侧向东北，经
海淀区，循
清河向东与
温榆河相汇，为永定河在
冲积扇上最古老的故道。
从金开始至1949年的834年间，永定河共决口81次，漫溢59次。其中仅
清代的268年中，洪决口漫溢达78次，平均不到4年就有1次洪灾发生；1912—1949年卢沟桥以下堤防大的决口就有7次，受灾面积达2000多平方千米。
永定河自
金朝开始，历代政府均在河床两岸进行大规模的河道治理。其中有重大影响的有元代
郭守敬的治理永定河、明代李庸修筑堤坝、清代
康熙帝根治水患、
李鸿章治水以及1924年开始的
卢沟桥分洪侧闸等。1949年后在河上修建了
官厅水库。1967年第一次较系统地加高、加固卢沟桥至衙门口段石堤。1973、1974年将卢沟桥至庞村的大部分左堤加高、加固；1976年再次加高卢沟桥至
石景山区段河堤；1983、1984年进行卢沟桥至双峪路口左堤
基础加固、加高及延长部分堤段工程等。关于卢沟桥以下左堤加固工程，1973年制定《卢沟桥至梁各庄河段规划》，标准是卢沟桥以下洪峰流量2500立方米每秒的水位为准。2005年4月至2005年6月，
永定河综合治理工程一期工程完工，施工期间拆除龙泉务水电站一座，引水渠2400米，房屋2411.77平方米，改移电缆、光缆等线路15条。2006年启动永定河综合治理二期工程，经过治理，永定河有望在2008年成为继
密云水库后第二个饮用水源。