Izvor Crnog Timoka je poznat pod imenom Pećura i nalazi se ispod južnih padina planine Kučaj, na 375 metra nadmorske visine, nedaleko od naselja Krivi Vir. Izvor čine izvori iz tri pećine u dnu krečnjačkog obluka. Dolina Crnog Timoka se sastoji iz 3 kotline i 2 klisure. Protiče kroz Krivovirsku kotlinu, a kod sela Lukova ulazi u Jablaničku klisuru. Kroz nju Crni Timok teče pravolinijski, a nizvodno od ušća Radovanske reke izrazito meandrira. Pošto primi desnu pritoku Arnautu, spušta se u Sumrakovačko-šarbanovačku kotlinu.

Najpoznatije pritoke su Zlotska, Šarbanovačka, Valakonjska i Osnićka reka. Nizvodno, Crni Timok se probija kroz 22,5 km dugačku klisuru Baba Jone. Izvijugana, uglavnom usečena u adezitu i ima sedam uklještenih meandara. U jednom takvom meandru, 12 km od Zaječara, nalazi se Gamzigradska banja. Lekoviti izvori između 26 i 42 stepena, izbijaju u samom koritu Crnog Timoka. Nizvodno od Gamzigradske banje je kasnoantički lokalitet Feliks Romulijana. Podignut je krajem trećeg i početkom četvrtog veka. Nekadašnju carsku palatu su opasivali zidovi visoki preko 15 m, sa kulama, a ukrašavali su je kitnjasta dekoracija i raznobojni podignuti mozaici, koji se smatraju najvrednijim antičke umetnosti na teritoriji Srbije. Kod sela Zvezdana reka ulazi u Zaječarsku kotlinu, kojom teče na dužini od 15 km, do sastava sa Belim Timokom. Crni Timok je dugačak 84 km, a površina njegovog sliva obuhvata 1 233 km². Prosečni proticaj kod Zaječara iznosi 12,6 km³/s.

Najviši vodostaji i najveći proticaji Timoka i njegovih sastavnica su u aprilu, a potom u martu, i potiču od otapanja snežnog pokrivača na planinama i prolećnih kiša. Najmanji proticaji su u avgustu i septembru i prouzrokovani su često dugim sušama. Ovi vodotoci pripadaju kišno-snežnom vodnom režimu umerenokontinentalne varijante. Vode u slivu Timoka koriste se najviše za navodnjavanje i snabdevanje industrije vodom, osobito u Boru koji dobija vodu iz Borskog jezera, dok se stanovništvo snabdeva vodovodskom vodom iz kaptiranih kraških vrela, a Negotin vodom iz brojnih bunara. Sliv Timoka izložen je snažnom delovanju erozije i po tome se ističe u odnosu na ostale reke Istočne Srbije. Na njegovoj površini registrovano je 812 bujičnih tokova kao i veliki broj vododerina.