Elva dannes ved samløpet av to tilløpselver øverst i Tønsvikdalen. Den lengste har utspring like ved Troms Turlags hytte Skarvassbu, øst for Skarsfjellet, og renner først gjennom Storskarvatnan før den faller bratt ned i dalen. Den andre tilløpselva, som er litt kortere, men med større vannføring, kommer fra Vikvatnan litt lengre øst. Fra samløpet renner Tønsvikelva mot nordvest gjennom Tønsvikdalen, og opptar underveis en rekke mindre sideelver. Ved skoggrensa ligger Blåkollkoia, en annen av Troms Turlags hytter. Øst for Blåkollen snur elva mot nord-nordøst, deretter gradvis igjen mot nordvest. Den munner ut i Grøtsundet ved Tønsvik gjennom et delta. Den største sideelva er Tverrelva, som den løper sammen med like før munningen i Tønsvika.