Er entspringt am Togwotee Pass in der Wind River Range auf einer Höhe von etwa 2930 m. Er fließt in überwiegend östlicher Richtung an der Ortschaft Dubois vorbei durch das Wind River Basin, einem semi-ariden Hochtal östlich der Rocky Mountains. Der U.S. Highway 26 folgt dem Flusslauf. Bei Riverton mündet der Little Wind River von Süden kommend in den Fluss. Dieser wendet sich nun nach Norden. Er wird vom Boysen Dam zu einem Stausee, dem Boysen Reservoir aufgestaut; beide befinden sich im Boysen State Park. Anschließend durchfließt er den Wind River Canyon und erreicht 5 km südlich von Thermopolis die Stelle Wedding of the Waters, ab welcher der Fluss dann als Bighorn River bezeichnet wird.
Der Wind River hat eine Länge von 298 km. Sein Einzugsgebiet umfasst 20.021 km². Der mittlere Abfluss unterhalb der Boysen-Talsperre beträgt 38 m³/s. Ein Großteil des Flusslaufs und Einzugsgebietes des Wind River liegt innerhalb der Wind River Indian Reservation.
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