(cg. Nậm Sam), phụ lưu cấp I lớn nhất của Sông Mã. Bắt nguồn từ vùng núi Houa (2.062 m) ở bên Lào, chảy theo hướng tây bắc - đông nam, nhập vào bờ phải Sông Mã ở Ngã Ba Giàng, cách cửa sông 25,5 km. Dài 325 km, phần chảy ở Việt Nam là 160 km. Diện tích lưu vực 7.580 km², phần ở Việt Nam 3.010 km²; cao trung bình 790 m, độ dốc trung bình 18,3%; mật độ sông suối  0,98 km/km². Tổng lượng nước 4,72 km³ ứng với lưu lượng trung bình năm 148 m³/s và môđun dòng chảy năm 18,2 l/s.km². Tại Mường Hinh, lưu lượng trung bình năm 91 m³/s ứng với môđun dòng chảy năm 17,1 l/s.km². Trên Bái Thượng, lòng sông hẹp và nhiều thác ghềnh, vận chuyển trên sông chủ yếu là bè, mảng; từ Bái Thượng thuyền độc mộc mới qua lại được nhưng cũng rất khó khăn vì còn nhiều đá ngầm. Tàu thuyền chỉ đi lại được ở hạ lưu. Đã xây dựng đập dâng nước Bái Thượng cao 23,5 m (1921 - 29), tưới cho hơn 50 nghìn ha đất nông nghiệp của Thanh Hoá.