上水沿いには桜（ヤマザクラ）の木が多く植えられた。花見客に堤を踏み固めてもらうのと、桜の花びらが水質を浄化すると信じられていたことによる。なかでも「小金井の桜」は評判を得、江戸時代から第二次世界大戦前にかけて多くの花見客で賑わった[注釈 7]。大正13年に国の名勝に指定された。
流域の自治体
東京都
羽村市、福生市、昭島市、立川市、小平市、小金井市、武蔵野市、西東京市、三鷹市、杉並区、世田谷区、渋谷区、新宿区
流路全ての座標を示した地図 - OSM
全座標を出力 - KML
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この節では、玉川上水の流路について、現在の状況に基づいて概観する。

現在の玉川上水は、保存状態・利用状況の違いによって、おおまかに3つの区間に分けて考えることができる。すなわち、上流から順に「多摩川からの導水路として今も供用されている区間」「清流復活事業によって少量の水を流している区間」「大部分が暗渠化され、水路としても水辺としても利用されていない区間」である。以下では便宜的に、これらの区間をそれぞれ「上流部」「中流部」「下流部」と呼ぶこととする。
上流部（羽村取水堰から小平監視所まで）

江戸時代同様、多摩川から取水した水がそのまま流れ、水量も豊富な区間である。

羽村取水堰（東京都羽村市）からしばらくは多摩川にほぼ並行して南南東へ流れるが、拝島駅のすぐ東で向きを変え、以降は西武拝島線のやや南を東へ向かう。北から南へ流れる残堀川を立体交差で越え[注釈 8]、玉川上水駅（西武拝島線・多摩都市モノレール）のすぐ南で多摩モノレールをくぐり、ほどなく小平監視所に至る。

多摩川水系は現在でも東京の上水源の1/3ほどを占めており、毎秒17.2立方メートルの水が水道用水の原水として利用されている。羽村取水堰で取水された水の大部分は、下流約500メートルに位置する第3水門（座標：.mw-parser-output .geo-default,.mw-parser-output .geo-dms,.mw-parser-output .geo-dec{display:inline}.mw-parser-output .geo-nondefault,.mw-parser-output .geo-multi-punct,.mw-parser-output .geo-inline-hidden{display:none}.mw-parser-output .longitude,.mw-parser-output .latitude{white-space:nowrap}北緯35度45分11.60秒 東経139度18分45.94秒 / 北緯35.7532222度 東経139.3127611度 / 35.7532222; 139.3127611 (第3水門)）から埋設鉄管によって山口貯水池（狭山湖）・村山貯水池（多摩湖）へ送水され、最終的には東村山浄水場（東村山市）で利用される。

残りの水はさらに下流、玉川上水駅付近の清願院橋から300メートルほど下流にある小平監視所（旧称:小平水衛所）で取水され、東村山浄水場、および現役の農業用水路である新堀用水の双方に送水されている。なお、小平監視所は、かつては玉川上水と野火止用水の分水地点であった。@media all and (max-width:720px){.mw-parser-output .mod-gallery{width:100%!important}}.mw-parser-output .mod-gallery{display:table}.mw-parser-output .mod-gallery-default{background:transparent;margin-top:.3em}.mw-parser-output .mod-gallery-center{margin-left:auto;margin-right:auto}.mw-parser-output .mod-gallery-left{float:left;margin-right:1em}.mw-parser-output .mod-gallery-right{float:right}.mw-parser-output .mod-gallery-none{float:none}.mw-parser-output .mod-gallery-collapsible{width:100%}.mw-parser-output .mod-gallery .title,.mw-parser-output .mod-gallery .main,.mw-parser-output .mod-gallery .footer{display:table-row}.mw-parser-output .mod-gallery .title>div{display:table-cell;text-align:center;font-weight:bold}.mw-parser-output .mod-gallery .main>div{display:table-cell}.mw-parser-output .mod-gallery .gallery{line-height:1.35em}.mw-parser-output .mod-gallery .footer>div{display:table-cell;text-align:right;font-size:80%;line-height:1em}.mw-parser-output .mod-gallery .title>div *,.mw-parser-output .mod-gallery .footer>div *{overflow:visible}.mw-parser-output .mod-gallery .gallerybox img{background:none!important}.mw-parser-output .mod-gallery .bordered-images .thumb img{outline:solid #eaecf0 1px;border:none}.mw-parser-output .mod-gallery .whitebg .thumb{background:#fff!important}

羽村取水堰と多摩川
（羽村市、北緯35度45分20.95秒 東経139度18分32.06秒 / 北緯35.7558194度 東経139.3089056度 / 35.7558194; 139.3089056 (羽村取水堰)）

取水堰直下の様子。大量の水が音をたてて流れ、「人喰い川」などと呼ばれた往時を偲ばせる。
（羽村市、北緯35度45分20.59秒 東経139度18分33.06秒 / 北緯35.7557194度 東経139.3091833度 / 35.7557194; 139.3091833 (取水堰直下の様子)）

第3水門を過ぎると水量は減り、流れも穏やかになる。
（羽村市、北緯35度44分57.84秒 東経139度18分59.49秒 / 北緯35.7494000度 東経139.3165250度 / 35.7494000; 139.3165250 (第3水門の下流部)）

奥多摩街道沿い
（福生市大字福生、北緯35度44分26.02秒 東経139度19分19.13秒 / 北緯35.7405611度 東経139.3219806度 / 35.7405611; 139.3219806 (福生市内の奥多摩街道沿い)）

ゴルフ場の脇を流れる
（昭島市美堀町、北緯35度43分19.16秒 東経139度21分38.57秒 / 北緯35.7219889度 東経139.3607139度 / 35.7219889; 139.3607139 (ゴルフ場の脇を流れる)）

見影橋から上流方面。左側に小さな分水の取水口が見える。
（立川市砂川町3丁目、北緯35度43分41.57秒 東経139度23分41.87秒 / 北緯35.7282139度 東経139.3949639度 / 35.7282139; 139.3949639 (見影橋から上流方面)）

小平監視所。多摩川からの水が見られるのはここまで。
（立川市幸町6丁目・小平市中島町、北緯35度43分49.63秒 東経139度25分22.98秒 / 北緯35.7304528度 東経139.4230500度 / 35.7304528; 139.4230500 (小平監視所)）

中流部 （小平監視所から浅間橋まで）

東京都の清流復活事業に従って処理水を流している区間である。古くからの樹木がよく茂り、豊かな木立に覆われている箇所が多い。

小平監視所より下流は、かつては多量の水が淀橋浄水場まで送られていたものの、1965年（昭和40年）の同浄水場廃止とともに送水を停止し、以降は水道施設としての利用はない。その後、長く“空堀”状態であったが、1986年（昭和61年）、都の策定した「清流復活事業」により水流が復活した。昭島市宮沢町にある東京都下水道局多摩川上流水再生センターにて高度二次処理を施した下水が、このために送水されてきている。途中、JR武蔵境駅北方の境橋（旧武蔵国多摩郡上保谷村地先）付近で分水して千川上水へも高度二次処理下水の20%を分流させている。