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O arroio nasce num pequeno pântano no município de Santa Vitória do Palmar e, inicialmente, corre de norte para sul. Atravessando o município do Chuí, o arroio muda sua direção para leste, passando a marcar, então, a fronteira do Brasil com o Uruguai até desaguar no oceano Atlântico junto à Praia da Barra do Chuí, balneário de Santa Vitória do Palmar, tendo na margem uruguaia a povoação de Barra del Chuy.
O arroio Chuí é, frequentemente, citado como o ponto mais meridional do Brasil, entretanto, a afirmação não está totalmente certa. Geograficamente, o verdadeiro extremo sul do país é apenas um ponto em seu trajeto. A localização exata desse ponto sem nome é uma pequena curva do arroio, aproximadamente 2,7 quilômetros antes de sua foz, a 33° 45' 03" de latitude sul e 53° 23' 48" de longitude oeste. Por sua vez, a foz do arroio é, ao mesmo tempo, os extremos sul e oeste do litoral brasileiro (não do território nacional) e também os extremos norte e leste do litoral uruguaio.
Até 1978, as cheias e a ação das marés frequentemente alteravam o curso final do arroio, causando problemas diplomáticos entre o Brasil e o Uruguai - pois se tornava difícil de limitar exatamente a fronteira. Naquele ano, de comum acordo entre os dois países, foram feitas obras de dragagem e canalização que tiveram sucesso em estabilizar o curso inferior do arroio.
