其上游为内双溪，发源于阳明山山脉擎天岗附近，先向南流后转向西，与右侧流入之菁礜溪 (碧溪)会合后，始称为外双溪。续往西流汇集各支流后，由双溪口进入台北盆地，再会合发源自大屯山南侧的最大支流磺溪 (紫明溪) 后，于洲美附近注入基隆河。

外双溪流域有芝山岩、双溪公园、中影文化城、故宫博物院、圣人瀑布等景点，磺溪上游则有多处温泉，均为著名的旅游胜地。东吴大学校区系临外双溪，联外道路因而得名临溪路。

台北捷运红线在芝山站与士林站间跨过外双溪。