Su primer tramo discurre hacia el NW hasta el embalse de Uzquiza, que regula su cauce, y a partir del mismo toma dirección W para dirigirse hacia Burgos y atravesar la capital.
Tras cruzar Burgos toma dirección SW, que no abandonará hasta su desembocadura en el Arlanza, ya en la provincia de Palencia, en el término de Palenzuela, junto al Puente de los Franceses.
Discurre el Arlanzón a lo largo de 115 km, y tras su paso por la capital burgalesa da lugar a una vega de anchura considerable, que se ensancha aún mas a la altura de la villa de Pampliega, donde recibe las aguas de su afluente, el río Cogollos.
En este tramo la vega presenta gran profusión de meandros, muchos de ellos abandonados, pero que vuelven a sus fueros cuando las aguas vienen crecidas, lo que nos permite observar los antiguos dominios del río.
Incluso con caudales no tan elevados, a los pies de Pampliega el río se despliega en varios ramales que dan lugar a una llanura de inundación en la que se forman varias islas fluviales.
