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Le río Mayo prend sa source dans la cordillère Centrale, au niveau de la municipalité de La Cruz, dans le département de Nariño. Il coule ensuite vers l'ouest avant de rejoindre le río Patía au niveau de la municipalité de Policarpa.
Sur une bonne partie de sa longueur, il sert de frontière naturelle entre les départements de Cauca au nord et Nariño au sud.
