Барнаулка начинается от озера Зеркального, расположенного на кромке Барнаульского
ленточного бора. В основном все притоки впадают в нее слева: Ворониха, Рожня, Колывань, Паньшиха, Штабка,
Власиха,
Сухой Лог. Водосбор полностью расположен на
Приобском плато. Он вытянут неширокой полосой (20-27 км) с юго-запада на северо-восток на 240 км. Современная долина расположена в ложбине древнего стока. Верховья реки находятся в группе длинных, но нешироких озёр, соединенных между собой короткими, сильно заболоченными протоками. Наиболее крупные озёра, через которые протекает река, — Урлаповское, Среднее, Бахматовское, Песчаное. Все они своим внешним видом напоминают расширенные русла реки и имеют ширину до двух — трёх километров. Водный режим Барнаулки зарегулирован проточными озёрами.