Сарысу протекает по Казахскому мелкосопочнику, Сарысуйской степи и пустыне Бетпакдала. В засушливые годы вода теряется в рыхлых отложениях, а в отдельные годы доходит до озера Теликоль.
Сарысу находится в Казахстане и проходит по Улытауской, Карагандинской, Туркестанской и Кызылординской областям. Река связана с Казахским мелкосопочником, Сарысуйской степью и пустыней Бетпакдала. В верхней части бассейна встречаются низкогорья и холмистый мелкосопочник, в средней части долина переходит в древнеаллювиальную равнину, а ниже река течет вдоль западной окраины плато Бетпакдала. В низовьях преобладает аллювиально-песчаная равнина. Исток Сарысу описан по-разному. В одном варианте река образуется слиянием Жаксы-Сарысу, Нарбак и Шотана в районе водохранилища Поливное, которое также называется Бидайык или Бидайбык. В другом варианте началом реки считается слияние Жана-Сарысу и Караозека. Сарысуйская система связана с реками Аксу и Нарбак, а среди притоков также названы Кара-Кенгир и Кенсаз. Общая длина реки меняется в зависимости от половодья и указана в пределах 761-800 км. Площадь бассейна составляет до 81 600 км². В среднем течении приведен расход около 7 м³/с, а скорость потока указана как 0,6-0,8 м/с, что соответствует 2,16-2,88 км/ч. Река проходит по засушливой территории с малым количеством осадков, интенсивным испарением, суховеями и повышенными скоростями ветра. Для бассейна характерны полупустынные и пустынные ландшафты, полынная и злаковая растительность, песчаные участки и солончаковые понижения. В долине встречаются аллювиальные отложения, пески, глины и песчано-гравийные грунты. В верховьях рельеф долины грядово-волнистый, в среднем течении грядово-котловинный, в низовьях бугристо-грядовый. Вода в основном пополняется снегом: 96,6% годового стока приходится на апрель и май, 3,1% на осень и 0,3% на зиму. Река замерзает в декабре и вскрывается в конце марта. В засушливые годы Сарысу может теряться в песках до Теликоль-Ащикольской впадины. Лишь в отдельные годы паводковые воды достигают озера Теликоль, обычно они теряются в рыхлых отложениях. В Кызылординской области от русла отходит Теликольский канал, после чего в урочище Теликоль русло заметно уменьшается.