Длина — 334 км, площадь бассейна — 15,3 тыс. км².
Берёт начало на возвышенности Котсуолд, протекает в черте Лондона, впадает в Северное море, образуя эстуарий. Ширина реки в черте Лондона 200—250 м, ширина эстуария от 650 м (близ восточной окраины Лондона) до 16 км (близ устья) . Питание дождевое. Средний расход воды в низовьях 260 м³/с, максимальный — зимой.
Ледостав наблюдается лишь в очень холодные зимы. Нижнее течение Темзы подвержено влиянию приливов (их высота в Лондоне до 6—6,5 м) , которые достигают города Теддингтон (где русло Темзы перегорожено плотиной) . Для защиты прилегающих к Темзе территорий от наводнений берега нижнего течения реки и эстуария укреплены защитными дамбами, а в городах — набережными.
Судоходна почти на всём протяжении; небольшие баржи доходят до города Лечлейд (311 км от устья) . До Лондона поднимаются суда водоизмещением до 800 т, а океанские суда доходят до города Тилбери. На Темзе — столица Великобритании город Лондон, города Оксфорд, Рединг.
Темза соединена старыми каналами (Оксфордский канал и др. ) с Бристольским заливом, Ирландским морем и промышленными районами центральной части страны. На Темзе регулярно проводится Хенлейская регата.