Il Serchio si forma a valle di Piazza al Serchio dall'unione dei torrenti omonimi di Soraggio, che scende dal M. Prado, e di Gramolazzo proveniente dal M. Pisanino. Nell'attraversare la Garfagnana raccoglie le acque dei tributari in sinistra idrografica, appenninici, mentre non riceve quasi più nulla dai torrenti apuani perché intercettati per scopi idroelettrici. Riceve poi le acque della Lima (il suo più importante affluente) all'altezza dei Bagni di Lucca e sbocca, a Ponte a Moriano, nella pianura di Lucca. Lambisce le falde settentrionali dei Monti Pisani infine sfocia in mare tra la pineta di S. Rossore e la Macchia di Migliarino.

Il suo percorso è di circa 102 Km interessando un bacino di 1400 Km2

La dinamica del fiume a causa della forte pendenza del suo corso, almeno nel tratto a monte di Ripafratta, è caratterizzata da andamento torrentizio, perciò con forti piene di breve durata e notevoli movimenti di materiale prelevato o dall'erosione del fondo o dai depositi in alveo o da erosioni di sponda. Ciò comporta un forte dissesto dei versanti e causa divagazioni laterali nelle zone alluvionate.

I primi depositi che incontriamo lungo il suo corso sono  connessi alla formazione dei laghi pio-quaternari di Castelnuovo e di Barga formatisi nella neonata fossa tettonica della Garfagnana. La morte dei laghi è stata determinata sia dall'interramento dei due bacini sia dal taglio delle rispettive soglie di Monte Perpoli e Calavorno. Dal basso, cioè osservando i sedimenti in ordine cronologico di deposizione troviamo le argille lignitifere ( per esempio la fornace di Barga, leggi Fornaci di Barga, era una fabbrica di laterizi che prendeva la materia prima, l'argilla, da questi depositi ancora ben visibili venendo da Lucca sulla destra, dietro la fornace immediatamente prima del paese)  Più sopra si possono osservare dei conglomerati a elementi metamorfici, d'origine apuana; ancora più in alto appare il conglomerato dove è prevalente l'arenaria macigno di origine appenninica. Questa successione indica come il sollevamento apuano e quindi l'erosione e la produzione di ciottoli, abbia preceduto quello appenninico.

Il Serchio alimenta due falde idriche.  La più importante è quella della Piana di Lucca, che rifornisce gli acquedotti di Lucca, Pisa e Livorno; l'altra, di minore potenzialità è situata nella piana costiera, ed è appoggiata sopra la falda salata di origine marina.

La piana di Lucca degrada dai 35 m s.l.m. di Ponte a Moriano ai 10 di Ripafratta e di Bientina. Il sottosuolo è formato, descrivendo le formazioni dall'alto verso il basso, cioè da quelle più recenti a quelle più antiche, da uno strato di depositi alluvionali portati dal Serchio; questo deposito rappresenta l'acquifero sede della falda della Piana, infatti essendo formato da ciottoli, sabbia e poca argilla, ha un'alta permeabilità primaria (la permeabilità di una roccia può essere primaria, se sinsedimentarea, come nel caso di sabbia o ciottoli sciolti, o secondaria, se una roccia originariamente impermeabile si frattura per cause esterne). Lo spessore della formazione varia da zero metri al contatto con le colline che circondano Lucca fino a trenta quaranta metri nelle zone centrali vicino a Tassignano. Il contatto con le rocce sottostanti individua la presenza di canali di erosione dove lo spessore dei ciottoli aumenta. Questi canali sono interpretati come le tracce dei paleoalvei del fiume. Al di sotto troviamo depositi argilloso sabbiosi fluvio-lacustri, meno permeabili. L'unico sondaggio che ha raggiunto le rocce sottostanti (società Larderello 1961) eseguito a Pontetetto è sceso a 375 metri per trovare l'unità toscana non metamorfica e a 719 per raggiungere le metamorfiti dei Monti Pisani.

La conca dell'attuale Piana di Lucca corrisponde ad una delle depressioni tettoniche che cominciano a delinearsi già alla fine del miocene, essa rappresenta verso SE il prolungamento della valle del Serchio e prosegue nella Val d'Elsa.

Nel pleistocene inferiore tutta la conca è occupata da un lago costiero, in comunicazione con il mare, il quale doveva trovarsi poco a sud delle Cerbaie. In corrispondenza con le glaciazioni Wurmiane che abbassarono il livello marino di un centinaio di metri il lago venne ad essere derenato e la pianura libera dalle sue acque fu alluvionata ad opera Paleoserchio che giungendo da Ponte a Moriano dirigeva direttamente verso il Bientina congiungendosi all'Arno nei pressi di Calcinaia. L'Arno, lo fa tuttora, tende a rendersi pensile sulla pianura e quindi ad ostacolare il deflusso delle acque dal Bientina.

Uno dei rami del Paleoserchio che spaziavano per la piana invece di prendere per il lago di Sesto e Calcinaia giungeva al mare da Ripafratta, alcuni pensano che la soglia sia stata superata e poi incisa dal fiume quando l'Arno gli impedì lo sbocco dal Bientina, io vedrei meglio Ripafratta come una via alternativa e contemporanea e quindi la soglia doveva preesistere e avere cause tettoniche, strutturali, come del resto la depressione del Bientina.

In epoca romana, cioè con il livello marino appena una cinquantina di centimetri più basso dell'attuale, l'Auser scorreva verso Bientina e il lago non esisteva, non saprei se per cause naturali o antropiche, due rami si staccavano dal corso principale, uno all'altezza di S: Pietro a Vico, l'altro ad Antraccoli (inter aquas), il primo passava a nord di Lucca, ne lambiva le mura provocando la nota concavità nel perimetro murario e si congiungeva col secondo, che passava a sud della città più o meno dalle parti di Montuolo per proseguire, dopo Ripafratta,verso il mar Ligure. Già nel secondo secolo d.C. dove prima scorreva il fiume veniva costruito l'anfiteatro, il che lascia supporre che il fiume fosse vicino per le necessità idriche dei giochi, ma ovviamente spostato più a nord.

La caduta dell'impero portò al conseguente abbandono delle opere idrauliche permise al fiume di riprendere ad alluvionare la pianura e bisogna aspettare Frediano, vescovo di Lucca dal 561 al 589 che a S. Pietro a Vico con il suo miracoloso rastrello bloccò l'alimentazione del ramo più settentrionale dell'Auser, il più pericoloso per la città, quello che la lambiva da nord, mandando tutta l'acqua verso Bientina. Questo ramo, senza più l'acqua dell'Auser, si dovette accontentare della Freddana, la Freddanella e gli altri corsi dell'attuale Oltreserchio, per questi divenne nella toponomastica il piccolo Auser, l'Auserculus, da qui a Serculus o Serchio il passo è breve. Sull'origine del nome Auserculus c'è anche chi dice che quel ramo doveva comunque essere il più piccolo essendo il più disassato dalla direttrice principale del fiume nella piana, dal Ponte a Moriano a Bientina.

Per correttezza è bene ricordare che il miracolo di S. Frediano è interpretato anche alla rovescia, cioè che il fiume venne dirottato, tutto o quasi, nel ramo a nord di Lucca per proteggere l'intera piana; oppure c'è chi, facendo considerazioni certo non prive di logica vede il vescovo longobardo deviare il Serchio a valle di Vecchiano bonificando così la piana di Pisa e aiutando Lucca solo indirettamente col migliorare il deflusso delle piene del fiume. Comunque i problemi tecnici per compiere simili imprese si sono rivelati non indifferenti, ci si tentò da allora ma ci riuscì il Nottolini nell'800 lastricando per intero gli argini di golena che così diventarono molto più resistenti all'erosione laterale delle piene.