Длина 414 км, площадь бассейна 10,1 тыс. км². Берёт начало на восточном склоне Среднего Урала, место истока - гора Перевал в 7 км к западу от Новоуральска, течет преимущественно на северо-восток, впадает в Туру возле д.Болотовское, в 16 км по течению выше с.Санкино. В верховьях есть пороги, в низовьях река довольно извилиста. Питание смешанное, с преобладанием снегового. Колебания уровня воды за год порядка 3,3 м. Средний расход воды 40 м³/с, средний уклон ~ 1м/км. Замерзает в начале ноября, вскрывается во второй половине апреля.
Основные притоки: Баранча, Салда, Мугай, Кыртомка.
На Тагиле расположены Верхнетагильское, Ленёвское и Нижнетагильское водохранилища, а также города Верхний Тагил и Нижний Тагил.