Theo tài liệu khảo sát thực địa và kết quả nghiên cứu khảo cổ, sông Thiên Đức bắt nguồn từ ngã ba Dâu (xã Xuân Canh, huyện Đông Anh, Hà Nội) chảy qua Yên Viên, Yên Thường vòng xuống xã Ninh Hiệp (huyện Gia Lâm), chảy qua thôn Lời, thôn Lở, thôn Nhân Lễ của xã Đặng Xá, chảy ven làng Sủi (xã Phú Thị) rồi chảy giữa hai xã Dương Xá và Dương Quang cùng thuộc huyện Gia Lâm, sau đó xuôi xuống sông Nghĩa Trụ (thị trấn Như Quỳnh, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên). Tư liệu, dấu tích còn lại cho thấy, từ sông Thiên Đức, theo dòng chảy nghiêng về đông, dòng sông lại tách thêm nhánh trên địa phận xã Lệ Chi ngày nay, nơi cửa sông chính là làng Cổ Giang (xã Lệ Chi - huyện Gia Lâm). Thời đó, thuyền bè có thể ngược sông Thiên Đức về Thăng Long và ngược lại. Theo thời gian, mỗi năm trôi đi sông càng ngắn, hẹp lại. Sông Thiên Đức hiện nay phía hạ lưu cũng chỉ còn một đoạn dài vài cây số còn có thể gọi là sông. Cùng với quá trình đô thị hóa, sông Thiên Đức dần được san lấp để trở thành các khu đô thị vệ tinh của thành phố.