Река Велека води началото си от турска територия посредством няколко карстови извора в планината Странджа, на 664 м н.в., на 3 км югозападно от турското село Ахлатлъ и на около 5 км югоизточно от българското село Белеврен. На турска територия протича в дълбока и залесена долина като прави голяма дъга, изпъкнала на юг. На около 3 км северно от турското село Чаалайък достига до България, като на протежение от около 2 км служи за граница между двете държави. При устието на левия си приток река Бостанлък (протичаща през турска територия), на 42°04′18″ с. ш. 27°19′46″ и. д. и 265 м н.в. окончателно навлиза в българска територия.
Първите 5 км на българска територия тече на север, а след това чак до устието си генералното ѝ направление е източно. В горното си течение до моста на шосето Бургас – Малко Търново Велека тече в тясна дълбока долина при много голям надлъжен наклон (до 33%од ), който при хидрометричната станция при моста е вече чувствително по-малък (4%од ). Склоновете на долината са стръмни (до 50°) и изцяло залесени с високостеблени гори: дъб, явор и други.
След моста реката силно меандрира, като меандрите стават силно извити и често следващи едни след други. Широчината на коритото е към 20 m. Обикновено дълбочината е 0,80-1,0 m. Дъното е песъчливо с отделни по-едри камъни.