Ограниченный с запада Нукатльским водоразделом, с юго-востока - Самурским, а с востока (от массива Дюльтыдаг) - северным отрогом Самурского хребта до низовий и в низовьях - Гимринским от системы дагестанских малых рек, самостоятельно несущих воды в Каспий, он имеет сток на север, в Аварское Койсу. Основная водная артерия бассейна Каракойсу берет начало из ледника и снежников на западном склоне массива Таклик на высоте 3730 м. Общая длина Каракойсу 97 км. В верховье, от истоков до сел. Ритляб (2080 м, 20 км), река носит название Ойсор, затем 20 км до впадения справа, возле сел. Магар, мощного притока - Рисора (или Хатар, 38 км), - Тлейсерух и на последних 56 км до устья (ок. 600 м) - Каракойсу. Длина бассейна по прямой от перевала Халахуркац до устья 75 км, средняя ширина 45 км. Водосбор резко асимметричен. На правую часть его приходятся 70% общей площади, а следовательно, и самые длинные мощные притоки. Помимо Рисора, это Казикумухское Койсу (81 км), Цамтичай (28 км), Салтычай (24 км). Из левых притоков крупные только Каралазургер (32 км) и Бецор (29 км). Средний уклон осевого потока бассейна: Ойсора - 82,5 м/км, Тлейсеруха - 32,3 м/км, собственно Каракойсу-14,5 м/км.

Значительная часть водосбора (до устья Цамтичая) сложена глинистыми сланцами и песчаниками, ниже, до самого устья, - меловыми известняками. Ойсор-Тлейсерух течет в широкой троговой долине (по дну - 100- 200 м, в одном месте даже до 300 м), обработанной древними ледниками, которая сужается в 2 км выше сел. Ритляб, у водопада Чирхалю, до 3 м. Водопад состоит из 6 скальных ступеней, каждая высотой от 2,5 до 6 м и шириной 3-4 м. Общая высота водопада до 30 м. Выше водопада река скрывается в природном тоннеле, откудд с силой вырываются массы пенящейся воды.

От места впадения Рисора и до Красного моста (5 км ниже сел. Гуниб) река образует в местах пересечения поперечных хребтов глубокие, узкие ущелья и каньоны, сменяющиеся расширенными до 50 м котловинами. Ниже впадения Казикумухского Койсу река резко поворачивает на запад, протекая в продольной тектонической долине, шириной по дну от 100-200 до 300-350 м вблизи устья. В приустьевой части - сплошной каскад водопадов высотой каждый 1,5-2 м. Общее падение реки на этом отрезке до 80 м. Русло порожистое, извилистое, сильно разветвленное, шириной от 5 до 20 м, скорости течения достигают 2-3 м/сек.

В бассейне Каракойсу от Красного моста до сел. Ириб на Тлейсерухе (218 км от Махачкалы) тянется колесная дорога, вдоль Ойсора и всех крупных притоков имеются СПТ, ведущие через Нукатльский водораздел на запад (маршрут 37), через Самурский водораздел на юг (маршрут 39) и на восток. Спортивносложные перевалы есть в водораздельном хребте Бишиней между Ойсором и Рисором, на Самурском хребте между вершинами Таклик, Хашхарва, Дюльтыдаг, Балиали, Бабаку.