El Río Grande se extiende a lo largo de la Quebrada de Humahuaca y tiene sus nacientes en los arroyos de La Cueva y Tres Cruces, en los límites orientales de la Puna. Próximos a la localidad de Iturbe, a 3.340 metros de altitud, ambos arroyos se unen, dando origen al Río Grande. Hacia el oeste, el límite entre la Puna y la Cordillera Oriental es la divisoria de aguas entre las cuencas intermontanas puneñas y las tributarias del Río Grande. Este límite, a nivel geográfico, está dado por la Sierra de Aguilar (5.000 metros), la Sierra del Alto y la Sierra de Chañi, que culmina con el nevado de Chañi (6.200 metros); hacia el este, está representado por las estribaciones orientales de las sierras de Santa Victoria, Zenta y Tilcara, y el sector septentrional de las Sierras del Zapla.
A lo largo de su recorrido, el Río Grande recibe numerosos afluentes. En la margen derecha desembocan los ríos Sapagua, Coraya, Cuchiyaco, Yacoraite, Queta Cara Chico, Juella, Sococha, Huichaira, Hornillos, Purmamarca, Tumbaya, Coiruro, Arroyo del Medio, León, Lozano, Yala y Reyes. Sobre su margen izquierda recibe al Chaupi-Rodero, Coctaca, Calete, La Huerta, Huasamayo, Punta Corral y Huajra. Con excepción de los Ríos León, Lozano, Yala y Reyes, los demás sólo aportan caudal superficial durante las grandes tormentas, y permanecen el resto del tiempo prácticamente secos, ya que los reducidos caudales de estiaje son derivados para riego.