Von seiner Quelle aus fließt der Mühlbach östlich nach Bad Rappenau, wo er den Wassergraben des Wasserschlosses speist und ihm der Raubach zufließt. Im weiteren Verlauf nach Nordosten kommt der den Waldsee speisende Dobach dazu, bevor der Mühlbach Zimmerhof erreicht, der Beginn des Fünfmühlentals. Hier fließt der Tiefenbach, der später zum Römersee angestaut ist, und der Siegelsbach zu. Durch das Gefälle und den Zufluss weiterer Bäche gewinnt der Mühlbach nun an Fließgeschwindigkeit und Volumen. Der Mühlbach ändert im weiteren Unterlauf seine Richtung nach Nordosten, wo er die westliche Dorfgrenze von Neckarmühlbach bildet. Hier endet das Fünfmühlental und der Mühlbach mündet nach wenigen hundert Metern in den Neckar.