Pilcomayo har sitt utspring ved foten av Andesfjellene, mellom de Bolivianske departementene Potosí og Oruro, øst for Poopósjøen. Derfra renner den i sørøstlig retning 2000 km gjennom departementene Chuquisaca og Tarija, og passerer gjennom den argentinske provinsen Formosa og Gran Chaco-slettene i Paraguay, hvor den danner grensen mellom disse to landene før den løper sammen med elva Paraguay nær Asunción.