길이 54㎞, 유역넓이 413.5㎢. 사미천 유역의 기반암은 역암·천매암·점판암이다. 상류의 짧은 구간만 산지 하천이고 전반적으로 평지 하천이다. 산림이 울창한 마식령산맥의 골짜기에서 발원한 여러 개의 지류가 유역을 구성하므로 가뭄에도 수원이 마르지 않는다.
상류에는 오랜 세월 풍화된 기암괴석과 절벽이 많다. 하천 유역의 연평균 강수량은 1,500mm 내외로 많은 편이며 잣나무·소나무·참나무·잎갈나무 등이 울창한 숲을 이루고 있다. 사미천의 물은 장좌저수지·덕적저수지·문암저수지로 흘러들어 관개용수와 생활용수로 쓰인다.