流域分佈于新北市乌来区东北部。其源头位于烘炉地山，向西偏北流至孝义，汇集南边的支流阿玉溪后，继续流至乌来，在此注入南势溪而终止。桶后溪上游有桶后越岭古道，可通往宜兰县礁溪乡。
事故.2020年1月2日，一架隶属中华民国空军救护队的UH-60M黑鹰直升机失事坠毁于该溪谷，机上13名机组员及乘客中有8人死亡，其中包含时任国防部参谋总长沈一鸣空军上将、政治作战局副局长于亲文空军少将及总士官督导长韩正宏陆军士官长等国军高阶人员。