Chomutovka sbírá své vody v rašeliništích na svahu Jelení hory, nedaleko přísečnické přehrady. Nelze s jistotou přesně identifikovat hlavní pramenný tok, protože je zde i několik uměle vytvořených vodotečí. Proto se za počátek Chomutovky považuje Novoveský rybník, kde je rovněž stanoven začátek měření délky toku. Chomutovka protéká PR Prameniště Chomutovky, která je chráněna především z biologického hlediska, a Bezručovým údolím. Poté teče zhruba jihovýchodním směrem, jenž si udržuje až k ústí do Ohře u Postoloprt.