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.～52.3。
泰晤士河水网较复杂，支流众多，其主要支流有彻恩（churn）河、科恩（colne）河、科尔（kole）河、温德拉什（indrush）河、埃文洛德（evenlode）河、查韦尔（cherell）河、雷（ray）河、奥克（ock）河、肯尼特（ken）河、洛登（loddon）河、韦（ey）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（chiltern hills）与南面伯克夏当斯（berkshire dons）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 gap）切开白垩陡崖流出后，流过北唐斯（north dons）陡坡以北地区。其最后一条大支流梅德韦河（river meday）则流过肯特（kent）郡低洼的维耳德（eald）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（lechlade）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**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（battersea）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（20，9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（silverton）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（lechlade）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（kelmscott manor）——19世纪设计师、社会主义者和诗人莫里斯（illiam morris）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，是泰晤士河在上的称号）折而向北，围绕着林木茂密的威萨姆（ytham）山和卡姆诺尔（cumnor）山（两山从西面可俯瞰牛津市）迂回环转。
在伍尔弗科特（olvercote）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（est midlands）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（indrush）河、埃文洛德（evenlode）河和查韦尔（cherell）河等3支流后转而向南，经纳尼汉姆（nuneham）森林，到达集镇阿宾顿（abingdon）。
在阿宾顿有从怀特霍斯谷（vale of hite horse）流出的奥克河（river ock）注入。然后朝东和南的方向流过多尔切斯特（dorchester，当地有14世纪寺院）和沃灵福德（allingford）等古镇。
穿过奇尔特恩丘陵与伯克夏当斯陡崖之间的戈灵峡谷后，在两岸均为山毛榉林的美丽谷地与大西部铁路（伦敦至彭赞斯〔penzance〕）交会。在冲出白垩陡崖后，于潘本（pangbourne）接纳潘河（river pang）。那里就是银行家兼作家葛兰姆（kenh grahame）撰写的《杨柳风》（the ind in the illos）开头几章描述享受“悠然摇船”乐趣的地方。
泰晤士河进入瑞丁（reading）不久，与肯尼特河（river ken）汇合。
顺着奇尔特恩丘陵的陡坡回转向北到泰晤士河畔亨利（henley-on-thames），那是举行年度赛船会的地方，接着重新向东向南，从克利维顿宅邸（cliveden house，以前是阿斯特家族〔astor family〕的府邸，现为全国托管协会所有）下边流过，前往梅登黑德（maidenhead）。
自该处起成为向东流的宽阔河道，途经伊顿学院（eton college）、王室的温莎城堡和兰尼米德（runnymede），大宪章即是于1215年在兰尼米德起草的。
在斯泰恩斯（staines）有科尔尼河（river colne）从北岸汇入。在接近伦敦的地方，泰晤士河两岸排列着许多别墅，“豪华酒”游艇停靠在私人的泊位上，就像在炫耀财富。
泰晤士河伦敦塔桥放船，不过泰晤士河也是一处大众喜爱的大游憩场所，沿河两岸有几千公共的公园绿地，为众多日光浴者、游泳者、散步者、垂钓者、划船者、驾独木舟者、驾驶小艇者、露营者和赏鸟者所广泛（有时甚至互相冲突）利用。
较不明显易见的是在那附近的泰晤士河供应着这座大都会的绝大部分用水。在伦敦西部边缘的温莎和汉普顿（hampton）之间，每天汲取大约180万立方米（63，6，0立方呎)的水，泵入巨大的贮水池，以供处理和分送。
这些水通过伦敦西部莫格登（mogden）、东部贝克顿（beckton）和克罗斯内斯（crossness）的庞大污水处理设施，最后又回到泰晤士河。
在特丁顿，河宽76米（250呎）。两岸筑有防护堤的潮汐河段陆续变宽，在伦敦桥河宽229米（750呎），在格雷夫森德（gravesend）宽640米（2，1呎），到诺尔则宽达9公里（5.5哩）。
泰晤士河的潮汐河段在布伦特福（brentford）与布伦特河（brent）汇合，在旺兹沃思（andsorth）与旺德尔（andle）河汇合，在德特福德（deptford）与雷文斯伯恩（ravensbourne）河汇合，在布莱克沃尔（blackall）与利（lea）河汇合。
在伊里斯（erith）以东不远处与达伦特（darent）河汇合，而在罗契斯特（rochester）与其最大的支流梅德韦河汇合。这段泰晤士河上有许多定时渡轮，可以从渡轮甲板上望向市区是最佳观赏视野。
也可以从千禧桥（20年建成，22年加以改进，重新开放）上看到引人入胜的优美景色，千禧桥是泰晤士河上唯一的一座人行桥；还可以在费里斯摩天轮的“伦敦眼”上俯瞰伦敦。
乘坐通过伦敦的游船之旅可以看到的其他有意义景点有：基尤植物园（ke gardens）、泰特不列颠艺廊、议会大厦、伦敦眼、泰特现代艺廊、圣保罗大教堂、伦敦塔、塔桥、加那利沃夫（canary harf）、位于格林威治的前皇家海军学院和千禧巨蛋、以及泰晤士水门的闪闪发亮的钢架，泰晤士水门象征泰晤士河由此转入河口湾的平地。
伦敦几个世纪以来对泰晤士河有着至关重要的影响。1393年的一项条例给予市民拆除泰晤士河中拦河坝的权利，其后，伦敦市长所属的水上警察加强了管制航运之权。
1771年议会的一项法案授权泰晤士河委员会在梅登黑德的上游河段建筑船闸，同时，伦敦公司在下游河段也完成了类似的改进。
19世纪初，繁忙的货物运输延伸到上游的勒契拉德，并从勒契拉德开挖一条运河（现已废），经由科兹窝德山，通过2哩长的萨珀顿隧道（sapperton tunnel， 1789年开通），连通塞文河（river severn）。
泰晤士河的现代水流控制系统以及河上48个航行船闸的安排十分适当。最大的特丁顿船闸在1811年建成，长198米（650呎），有三道闸门，一次可以通过1艘拖轮和6只驳船。
泰晤士河可以在许多地点过河，仅仅大伦敦就有桥梁16座。大多数是公路桥和铁路桥，不过也有一些，如黄金五十周年庆桥（golden jubilee bridge）和上文提到的千禧桥都是人行桥。
另外还有两条人行隧道，一条在格林威治，另一条在伍利奇（ooich），以及一些公路、铁路隧道。伍利奇轮渡则沟通格林威治市的伍利奇和纽汉（neham）的北伍利奇。
从格林威治西上至泰晤士河第一座桥梁——塔桥，沿河两岸船坞、码头、仓库密集，过塔桥而西进入伦敦市区，两岸景色骤变，高楼广厦，皇宫苑圃，鳞次栉比；议会大厦，皇家音乐厅，伦敦塔和索思瓦克大教堂，圣保罗大教堂等古建筑都依稀可见。
伦敦市行政中心的郡政厅紧依河滨。沿河共有桥梁27座，结构风格不同，景色各有千秋。其中滑铁卢桥、威斯敏斯特桥和兰勃士桥最为壮观。
河北岸，维多利亚河滨马路为游人散步、休憩的理想去处。入夜，沿河路灯齐明，点点灯光与水波相映，时碎时聚，使人顿感伦敦难得的悠闲。
埃及克娄佩特拉方尖碑，仿斯芬克斯狮身人面像复制品、骆驼兵雕像等等文物古迹也多在沿河两岸。泰晤士河一直是诗人墨客讴歌吟咏和画家们写生描绘的对象，也是游人访古揽胜的必经之地。
再从伦敦溯河西上，伊顿、牛津、享莱、温莎、汉普顿扬、里士满等大小城镇，都各有不朽名胜，为著名游览胜地。
从1856年开始，每年复活节期间，牛津大学和剑桥大学的赛艇比赛和每年夏季的皇家亨利杯划船比赛，都在河上举行。
和英国的其他河流与运河的情况一样，在20世纪，商业的水路交通持续衰落，到第二次世界大战后已接近于消亡。伦敦泰晤士河的海运可能稍微好一点，但也日益衰微——与荷兰的鹿特丹相比尤为显著。
1970年起，伦敦港务局集中全部资金，致力于市区下游32公里蒂尔伯里（tilbury）港货物装卸作业的现代化。伦敦河边地区和船埠的那些不受欢迎但仍起作用的工业景色，从在1980年代开始有了急剧的变化，码头与加工厂变成了公寓、办公楼、散步场所和公园。
泰晤士河在1950年代濒临生物灭绝，但后来土地使用的改变和污染控制的改进，使水质有了极大的改善，大量的鱼类得以重生。
工业革命后，人口集中，大量的城市生活污水和工业废水未经处理直接排入河内，加之沿岸又堆积了大量垃圾污物，使该河成为伦敦的一条排污明沟。
夏季臭气熏天，致使沿河的国外大厦、伦敦钟楼等不得不紧闭门窗。由于伦敦饮水遭受污染及清晨常有大雾弥漫与工业排放的二氧化硫、一氧化硫和氮氧化物等有毒气体混合，终于多次爆发了霍乱大流行和震惊世界的伦敦烟雾事件。
其中仅丧生于霍乱者竟达33460人。另外该河还受潮汐的影响，在潮汐上涨期间迫使污废水产生急剧的倒灌而造成污臭水满街流的情形。
英国政府从60年代开始治理该河，首先是通过立法，对直接向泰晤士河排放工业废水和生活污水作了严格的规定。有关当局还重建和延长了伦敦下水道，建设了450多座污水处理厂，形成了完整的城市污水处理系统，每天处理污水近43万立方米。
泰晤士河沿岸的生活污水都要先集中到污水处理厂，在那里经过沉淀、消毒等处理后才能排入泰晤士河。污水处理费用计入居民的自来水费中。
根据有关法律，工业废水必须由企业自行处理，并在符合一定的标准后才能排进河里。没有能力处理废水的企业可将废水排入河水管理局的污水处，但要交纳排污费。
检查人员还会经常不定期地到工厂检查。那些废水排放不达标又不服从监督的工厂将被起诉，受到罚款甚至停业的处罚。经过将近20多年时间的艰苦整治，耗资20亿英镑，如今流经伦敦的泰晤士河已由一条死河、臭河变成了世界上最洁净的城市水道之一，泰晤士河终于又焕发了生机。
鲑蹲鱼。据调查，该河鱼类品种已恢复到一百余种。同时由于该河水质良好使原盛产中国的中华绒鳖蟹在该河中生存、繁殖，并形成优势种群，伦敦唐人街的水产经营者已大量收购上市，其收购价格较中国大陆空运去的低45%。
泰晤士河的治理成功，关键并不是采用了最先进的技术与工艺，而是开展了大胆的体制改革和科学管理，被欧洲称为“水工业管理体制上的一次重大革命”。
他们对河段实施了统一管理，把全河划分成10个区域，合并2多个管水单位而建成一个新水务管理局——泰晤士河水务管理局。
然后按业务性质作了明确分工，严格执行。在水处理技术上运用传统的截流排污，生物氧化、曝气充氧及微生物活性污泥等常规措施。处理后的废水用于养鱼、栽培等，从而给水务工作带来活力.