Elva dannes på det nordrussiske lavlandet ved samløpet av elvene Jug og Sukhona, hvorav den siste er den største og lengste av de to. Fra dette elvemøtet løper Nordre Dvina nordover inn i Arkhangelsk oblast. Ved Kotlas, 60 km nord for Velikij Ustjug, kommer sideelva Vytsjegda inn fra øst. Herfra løper Dvina hovedsakelig i nordvestlig retning, gjennom en sumpete og skogrik dalsenkning, som på sine steder er over 100 km bred, og som er omgitt av skogkledte åsrekker. Dvina er den største farbare elva i Nordvest-Russland, og i sitt nedre løp er den meget øyrik og på steder opptil 7 km bred og 15 m dyp. 40 km nordvest for Arkhangelsk og direkte øst for Severodvinsk munner Nordre Dvina ut i Dvinabukta i Kvitsjøen, gjennom et 900 km² stort delta.