Река Северна Двина се образува от сливането на двете съставящи я реки Сухона (лява съставяща) и Юг (дясна съставяща) при град Велики Устюг (Вологодска област) на 47 m н.в. До устието на най-големия си приток река Вичегда тече на север под името Малка Северна Двина. След това реката завива на северозапад, увеличава двойно водността си и протича в широка долина със стръмни, на места отвесни склонове. В този участък по течението ѝ има множество плитчини и острови. След устието на левия ѝ приток река Вага завива на север и до устието на река Пинега (десен приток) долината ѝ рязко се стеснява, склоновете ѝ са стръмни, изградени от варовици. След устието на Пинега отново завива на северозапад, долината ѝ пак става широка и тук реката се разделя на отделни потоци и ръкави, които при град Архангелск се събират в едно корито. След Архангелск започва делтата на реката, която е с площ около 900 km2. Основните ръкави на делтата са: Николски, Корабен, Кузнечик, Маймакс (най-дълбокия) и Мурмански. Всички те се вливат в Двинския залив на Бяло море, което е част от Северния ледовит океан. В най-долното ѝ течение приливите и отливите от Северния ледовит океан се проявяват до 137 km от устието ѝ – устието на река Пинега.
Река Северна Двина получава множество притоци, от които 7 са с дължина над 200 km. По-долу са изброени тези 7 реки, на които са показани на кой километър по течението на Северна Двина се вливат, техните дължини, площта на водосборните им басейни, дали са леви (←) или десни (→) притоци и къде се вливат:
Подхранването на Северна Двина е смесено, като преобладава снежното. Среден годишен отток при сливането на Сухона и Юг – 770 m3/s, в устието – 3490 m3/s. Между устията на реките Вага и Пинега, където долината ѝ е тясна колебанието на речното ниво достига до 14 m. Замръзва в края на октомври – началото на ноември, а се размразява от началото на април в горното течение до началото на май – в долното. Размразяването на реката започва от горното към долното течение, което предизвиква големи натрупвания на ледени маси в долното течение и е причина за големи разливания на реката и чести наводнения
Реката е плавателна по цялото си протежение, като навигационния период продължава 160 – 190 дни. До град Архангелск могат да навлизат и морски кораби. Чрез плавателни канали Северна Двина е съединена с река Волга (р. Сухона → Кубенско езеро → р. Шексна → р. Волга) и с река Кулой чрез канала Пинега → Кулой.
