Elven har sin kilde i Roosevelt National Forest i Front Range, i den vestre delen av Larimer County i nordre Colorado. Den renner nordover inn i Wyoming på den østre siden av Medicine Bow Mountains. Videre passerer elven Jelm og Wood's Landing og fortsetter til nordøst ut fra fjellene omkring 35 kilometer sørvest for byen Laramie. Den fortsetter nordover gjennom Laramie og flyter deretter sammen med Little Laramie River på Laramie Plains og fortsetter gjennom Wheatlandreservoaret. Her flyter den videre til nordøst gjennom fjellområdet Laramie Mountains. Rett utenfor byen Wheatland renner Laramie River sammen med først North Laramie River og deretter Chugwater Creek. Ved byen Fort Laramie (rett ved den gamle handelsstasjonen Fort Laramie) renner elven til slutt sammen med North Platte River.