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Le cours d’eau prend sa source dans la chaîne jurassienne vaudoise à Vaulion, au lieu-dit « Cul du Nozon ». Il s’agit d’un site karstique: l’eau s’infiltre sur le plateau et ressurgit sous la forme de multiples sources :
Parmi elles, sur le versant ouest, les sources de la Cascade, de Pernon (qui présente plus de 1000 m de galerie) et de la Diaz. L’eau de la source de l’Américain, potable, est captée. La source du Cul du Nozon, qui alimentait autrefois un moulin, fournit également de l’eau potable, à un débit de 50 l/s. Sur le versant est se trouvent la source des Cascatelles et la source du Trou à Bonnard, exploitée en été seulement.
Sur son trajet, le Nozon passe par la commune de Romainmôtier où il reçoit les eaux de la source de la Diey. Ensuite, il passe Croy pour arriver aux Gorges du Nozon, puis à la cascade du Dard. Il parcourt un vallon encaissé et en ressort à Pompaples où il se sépare en deux: une partie va dans l’Orbe après avoir rejoint le Talent et fait partie du bassin d’accumulation du Rhin, et l’autre va dans la Venoge, et ainsi alimente le Rhône; Les vallées de l’Orbe et de la Venoge étant séparée par la colline du Mormont. Le bassin versant du Nozon est de 45 km2.