土庫溪發源於葫蘆墩圳系統的牛稠分線 (龍圳溝)，源頭位於台中縣潭子鄉栗林村祥和新莊社區東南側之四張犁支線與牛稠分線分流處。牛稠分線於分流後大致向南南西流至頭家村 (頭家厝) 西側台中縣、市交界處，改稱土庫溪。
土庫溪中游原本介於麻園頭溪與梅川之間，並且於南屯路一段、二段交界處南方納入麻園頭溪。經過多次河川整治後，原上遊河段土庫溪流經尾張地區與陜西路後，已經改道沿文心路三段及華美街二段，於華美西街二段與文心路三段交會處注入麻園頭溪，變成麻園頭溪的支流，其他原本中遊河道或已消失、或因加蓋而變成地下排水箱涵及經國園道。原土庫溪中游的地下排水箱涵出口，在新田心橋(南屯路一段、二段)南側與麻園頭溪會合，以下河道仍舊稱為土庫溪。土庫溪續向南轉西南流至台中縣烏日鄉交界處，再匯入支流楓樹腳溪 (即南屯溪)。之後，隨後南流進入烏日鄉而注入舊旱溪。
但由於整治後的麻園頭溪河面寬、流量大，而土庫溪中游消失，因此亦有將合流後的土庫溪下遊河段，均泛稱之為麻園頭溪者。
土庫溪下游流經台中市文心南路後，沿岸景觀開始出現紊亂，而且工廠林立，完全不同於中游市區河段。
水系主要河川
土庫溪：台中縣烏日鄉、台中市、台中縣潭子鄉 麻園頭溪：台中市、台中縣潭子鄉 楓樹腳溪：台中市、台中縣烏日鄉
