Die Emscher entspringt südöstlich von Dortmund bei Holzwickede (Kreis Unna) am Haarstrang auf etwa 147 m ü. NN in einem Quellteich.
In ihrem Oberlauf durchfließt die Emscher - nur durch den Höhenzug Haarstrang vom Ruhrtal getrennt - den Südosten von Dortmund und wendet sich dann nach Nordwesten. Im nördlichen Castrop-Rauxel unterquert sie den Rhein-Herne-Kanal in einem Durchlassbauwerk mit drei Betonröhren. Danach fließt sie bis Oberhausen fast durchgehend parallel zu diesem Kanal in westliche Richtung. Beim Bau des Kanals hat man die Geografie des Emschertales genutzt.
In Oberhausen knickt der Fluss nach Nordwesten ab und fließt dann bis zu seiner heutigen Mündung in den Rhein bei Dinslaken-Eppinghoven. Dort ist ihre Abflussmenge auf durchschnittlich 16 m³/s angewachsen.

Noch zu Ende des 19. Jahrhunderts mäandrierte die Emscher durch ihr zwischen Herten und Wanne-Eickel über 5 km breites Tal. Überflutungen größerer Teilgebiete waren nicht selten.
Seit Gründung der Emschergenossenschaft im Jahre 1899 sind die Emscher und ihre Nebenbäche kanalisiert und begradigt worden, nachdem es in Bergsenkungsgebieten zu Versumpfungen gekommen war. Dabei wurde auch das Flussbett mehrfach tiefer gelegt. Ferner wurde die Mündung in den Rhein zweimal nach Norden verlagert. In Teilgebieten kam es dadurch zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels.

Ab der Mitte des 19. Jahrhunderts begann die voranschreitende Industrialisierung im Ruhrgebiet. Das Abwasser und das Grubenwasser der Bergwerke wurde in die Emscher entlassen.
Die Emscher war durch die Einleitungen stark belastet. Das geringe Gefälle, der ausgeprägt mäandernde Flusslauf und vom Bergbau hervorgerufene Absenkungen des Bodens verursachten Ende des 19. Jahrhunderts zahlreiche Überschwemmungen, was aufgrund der mitgeführten Fäkalien zu steigender Seuchengefahr führte. Schließlich wurde 1899 die Emschergenossenschaft als Zwangsvereinigung der betroffenen Kommunen und einleitenden Großbetriebe gegründet. Ihre Aufgaben liegen in der Abwasserreinigung, der Sicherung des Abflusses, im Hochwasserschutz und in der Gewässerunterhaltung.
Unter der Ägide der Emschergenossenschaft wurde die Emscher größtenteils befestigt und begradigt. Die Mündung wurde im 20. Jahrhundert zweimal verlegt: 1910 von Duisburg-Alsum nach Duisburg-Walsum und 1949 nach Dinslaken.
Um die Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts galt die Emscher als der schmutzigste Fluss Deutschlands und die "Kloake des Ruhrgebietes". Mit dem überwiegenden Ende des Bergbaus im Ruhrgebiet bzw. seiner Nordwanderung stellen Bergsenkungen in der Emscher-Region nun kein Hindernis mehr dar, so dass mit dem Bau von unterirdischen Kanälen und der Renaturierung der Emscher begonnen wurde.
Das zentrale Bauwerk im Rahmen der Renaturierung der Emscher bildet der Emscherkanal. Der von Dortmund nach Dinslaken verlaufende Kanal wird 51 km lang und hat einen maximalen Durchmesser von 2,80 m. Er wird das Abwasser zu den bestehenden Kläranlagen Bottrop und Emschermündung ableiten. Daran anschließend kann die Emscher in weiteren Bereichen naturnah umgestaltet werden.
Im Rahmen der Emscherkunst wurde auf den aktuellen Umbau des Emschersystems aufmerksam gemacht.