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El río Cauca nace en el departamento de Cauca, al sur de la Laguna del Buey y al sureste de la población de Paletará en el municipio caucano de Puracé. Cerca de esta laguna nace de igual manera en el río Mazamorras, el cual toma dirección hacia sureste, opuesta a la del Cauca, hasta desembocar en el río Magdalena cerca a la población de Pinillos en el departamento de Bolivar.
El naciente río Cauca baja de los páramos en dirección noroeste, entre los volcanes Puracé y Sotará, formando el Valle del Paletará. Ya en este valle recibe al río Negro, en su lado izquierdo, y gira tomando la dirección sur-norte, marcando el límite entre los municipios de Sotará y Puracé.
Poco antes de pasar la población de Coconuco recibe los ríos Change y la Calera por su lado derecho. En el cambio de dirección para tomar el sentido este-oeste recibe al río las Piedras de nuevo por la derecha.
En la ciudad de Popayán y su área de influencia, el río Cauca pasa por más de 10 km de urbe alcanzando a tener 40 m de ancho en promedio. El río sale de Popayán entre las loma de San Rafael y la Loma Larga hasta alcanzar la población de Río Hondo donde recibe por el lado izquierdo al afluente homónimo poco antes de recibir los ríos Palacé (costado derecho) y Sucio (lado izquierdo).
Después de recibir estos tres afluentes, y ya en el municipio de Cajibío, el Cauca se encamina en dirección sur-norte hasta la población de El Dinde, donde recibe a los ríos Cajibío por la derecha y Dinde por la izquierda, y entra al municipio caucano de Morales. Otros afluentes más hacia el norte son los ríos Inguíto y Marilopito sobre la izquierda, que marcan la entrada al municipio de Suárez.
Siguiendo hacia el norte, el río Cauca pasa por la primera alteración artificial de su caudal en la represa de Salvajina, construida por la Corporación Regional Autónoma del Valle del Cauca (CVC). La función primaria de este embalse es controlar las aguas del Cauca en la temporada invernal evitando inundaciones en el Valle del Cauca. La represa de Salvajina también se emplea como hidroeléctrica a nivel secundario, y alcanza a tener más 22 km de largo y hasta 1 km de ancho.
En la punta norte de la Salvajina se encuentra la cabecera municipal de Suárez. Tras dejar esta población, el río Cauca se encuentra con el río Ovejas (lado derecho) que marca el límite entre los municipios de Suárez y Buenos Aires.
El río sigue hacia el norte, pasando por varias poblaciones pequeñas hasta alcanzar el límite interdepartamental entre Cauca y Valle del Cauca en el lugar donde recibe al río Timba en su margen izquierda. Este afluente conjuntamente con el río Cauca y el río Desbaratado (afluente por la derecha) definen la parte oriental del límite sur del Valle del Cauca.
Entre las desembocaduras de los ríos Timba y Desbaratado, todos los afluentes del lado derecho son del departamento del Cauca y los del lado izquierdo pertenecen al Valle del Cauca. En este tramo fronterizo los tributantes del lado derecho más importantes son: el río Teta cerca de la población de Lomitas, el río Quilichao que pasa por Santander de Quilichao, y el río Palo que pasa por Puerto Tejada.