Der Mühlbach entspringt bei Babstadt und fließt östlich nach Bad Rappenau, wo ihm spitz von links der Raubach zufließt und wo er den Graben des Wasserschlosses Bad Rappenau speist. Auf der kurzen Strecke bis nach Zimmerhof wendet sich der Bach dann recht schnell nach Norden, vor dessen Dorfgrenze fließt ihm von links noch der aus dem Waldsee im Westnordwesten kommende Dobach zu. Nach dem Dorf beginnt unterhalb des Zimmerhofer Gutshofes ein mehr naturnaher Talabschnitt, der gewöhnlich allein als Fünfmühlental bezeichnet wird. Zunächst passiert der Bach auf kurzer Strecke die Kugelmühle im Mündungsdreieck des ebenfalls von Westnordwest kommenden Tiefenbachs, der kurz vor seiner Einmündung noch zum Römersee angestaut ist, und den Fischersee. Gleich nach einer Kläranlage fließt ihm aus Nordwest der Siegelsbach zu, ehe der Mühlbach in ein enger werdendes Tal eintritt mit beidseitigen Waldhängen teilweise bis ans Ufer herab; 75 Hektar des Waldes wurden im Jahr 1970 zu Bannwald erhoben. Durch das Gefälle und weitere Zuflüsse gewinnt der Mühlbach in diesem Talabschnitt an Fließgeschwindigkeit und Volumen. Hier stehen nacheinander die Barthsmühle, die Sommersmühle und die Schnepfenhardter Mühle. Sie grenzen selbst nicht ans Bachufer, vielmehr führten ihnen abgezweigte Mühlgräben das Wasser zu. Im Unterlauf nach der Schnepfenhardter Mühle wendet sich der Bach für etwa 1 km nach Nordosten und nimmt dann zu Füßen des Bergsporns im Osten, auf dem die Burg Guttenberg steht, wieder seine vorige nördliche Richtung. Er verlässt unterhalb der Burg und mit dem alten Ortskern von Neckarmühlbach zur Rechten bei der Maysack'schen Mühle sein Waldtal. Hier endet das Fünfmühlental, der Mühlbach selber mündet nach wenigen hundert Metern in dessen hier recht breiter Aue in den Neckar. Der Einzugsbereich des Baches erstreckt sich auf etwa 29 km², er liegt hauptsächlich zu seiner Linken, da ab dem Mittellauf der rechts in weniger als 3 km Entfernung ungefähr parallel nach Norden fließende Neckar konkurriert. Anfangs läuft der Mühlbach in begradigtem Bett, im Stadtbereich von Bad Rappenau sogar größtenteils verdolt, hinter Zimmerhof dann und bis Neckarmühlbach in natürlichen Mäandern. Der Bach soll noch bis ins 20. Jahrhundert von der Mündung aufwärts bis etwa zur Barthsmühle fisch- und krebsreich gewesen sein.