Der größte Fluss im äußersten Nordwesten Deutschlands entspringt am Rande des Truppenübungsplatzes Senne südöstlich von Schloss Holte-Stuckbrock in Westfalen, wo sie zuerst in südwestlicher Richtung fließt.
Bei Rietberg ändert sie dann ihre Richtung nach Nordwesten und durchquert Rheda-Wiedenbrück. Zuerst nördlich, dann wieder westlich fließend erreicht sie Warendorf und Telgte, um dann Münster am nördlichen Rand zu streifen. Danach unterquert sie zuerst den Dortmund-Ems-Kanal und anschließend die A1.
Mäandernt geht es nun durch Greven und Emsdetten bis nach Rheine. In wilden Schleifen fließt die Ems jetzt nach Norden, vorbei an Emsbüren, bis sie Lingen erreicht. Kurz davor, an der Mündung der Großen Aa teilen sich die Ems und der Dortmund-Ems-Kanal das Bett für ca. einen Kilometer.
Danach schlängelt sie sich weiter bis nach Meppen, wo Hase und Dortmund-Ems-Kanal gemeinsam in ihr münden. Von hier geht es nun, auch wieder in Mäandern, Altarmen und Verzweigungen, vorbei an Haren und Lathen, bis nach Papenburg. Immer breiter werdend, an Weener und Leer (Ledamündung) vorbei, mündet sie dann schlussendlich nach 371 km nördlich Emden, auf der Höhe Eemshaven/Krummhörn in die Nordsee.
Von dort bis hinter Rheine ist die Ems eine Bundeswasserstraße und es gilt die Bundesschifffahrtsstraßenordnung, in der auch eine Kennzeichnungspflicht für Kanus etc. festgelegt ist.