Dens viktigste sideelver er Magat, Rio Chico, Ilagan, Siffu og Mallig. De springer ut i deler av fjellkjedene Sierra Madre og Cordillera Central i den nordlige del av den filippinske hovedøya Luzon. Rio Chico er med sine 210 kilometer lengste sideelv til Cagayan og springer ut ved Mount Data. Langs den nest lengste sideelven, Magat, er det blitt anlagt et stort reservoat, Magatsjøen med et vannkraftverk med 360 megawatts yteevne.