牛头河全长84.6千米，流域面积1846平方千米，多年平均流量4.34立方米每秒，年径流量1.38亿立方米，年输沙量515万吨，平均含沙量37.4千克每立方米。河道平均比降7.64‰。牛头河干流呈左拐湾马蹄形，所以主要支流均来自右岸，自上游到下游依次有汤峪河、樊河、后川河、白驼河、稠泥河。
现状
牛头河流域地处副热带气候区，属陇中南半湿润大陆季风气候，多年平均气温8.8摄氏度，最高气温36摄氏度，最低气温零下24.6摄氏度，年降水量517～662毫米，无霜期168天。 牛头河流域所处大地构造位置为北祁连加里东地槽的东延部位，属陇山山地向梁峁[mǎo]沟壑过度地带。土壤有褐土、黑垆土、黄绵土、潮土和红土五个土类，11个亚类，28个土属，41个土种。流域上游山峦重叠，沟道纵横，多为灌丛材区，植被良好；中游为河谷地段，土地平坦肥沃，引、提灌溉条件较好；下游为深山峡谷，水力资源较为丰富，落差大、河床地质条件好，适宜于小水电开发。 牛头河流域有人口20.42万人，耕地面积4万公顷，地区生产总值6.13亿元。建有自流灌渠20条，灌溉面积3670公顷。主要粮食作物有小麦、玉米、洋芋、蚕豆，经济作物有胡麻、葵花、大麻、蔬菜。中药材资源非常丰富，有柴胡、半夏、蒲公英、沙参、甘草等140多种。野生动物有50多种，较为珍贵的有林麝、斑羚、水獭、红腹锦鸡等。