Der Kemtschug entspringt gut 40km südwestlich von Diwnogorsk in den äußersten nordwestlichen Ausläufern des Ostsajan, dort Kurbatowo-Syrskoje Belogorje genannt. Nach wenigen Dutzend Kilometern in nordwestlicher Richtung verlässt der Fluss das Gebirge und durchfließt dann den Ostteil der Tschulymebene in einem weiten, flachen, zumeist sumpfigen Tal und zunehmend mäandrierend in nördlicher Richtung. Nach der Einmündung des größten rechten Nebenflusses, des Kleinen Kemtschug, wendet er sich nach Nordwesten und mündet nach weiteren knapp 100km Luftlinie (174 Flusskilometer) nahe Melezk etwa 100km nördlich von Atschinsk in den Tschulym.
Das Einzugsgebiet des Flusses umfasst 10.300km².[3][4] Die bedeutendsten Nebenflüsse sind von rechts der Kleine Kemtschug (Länge: 288km) sowie von links Nikischkina (109km), Surasowka (122km) und Kytat (100km). Es gibt noch einen weiteren Nebenfluss namens Kleiner Kemtschug (27km), der von links in den Oberlauf des Kemtschug mündet.
Der Abfluss 111km oberhalb der Mündung beträgt im Jahresmittel 49,26m³/s, bei einem maximalen monatlichen Mittel von 304m³/s im Mai und einem minimalen monatlichen Mittel von 5,24m³/s im März.[5] Von Oktober/November bis April/Anfang Mai friert der Fluss zu.
Unmittelbar am Fluss gibt es wegen der zumeist sumpfigen Ufer nur wenige kleinere Ortschaften. Unweit der Quelle führt die Fernstraße M54 von Krasnojarsk über Abakan zur mongolischen Grenze vorbei. Der Oberlauf des Flusses kreuzt die Transsibirische Eisenbahn und folgt seinem rechten (östlichen) Ufer bei den Stationen Kossatschi bis Kemtschug (etwa Streckenkilometer 3995–4004 ab Moskau). Einige Kilometer nördlich quert den Fluss die Fernstraße R255Nowosibirsk– Irkutsk. Den Mittellauf des Kemtschug überquert unweit der Siedlung städtischen TypsRasswet die Bahnstrecke Atschinsk– Lessosibirsk.
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