Elle commence dans l'arrondissement du Sud-Ouest, à la limite de l'arrondissement de Verdun, en continuation de la rue Henri-Duhamel. Entre son début et le canal de Lachine, elle passe en dessous de l'autoroute Décarie (autoroute 15), où des bretelles montent vers l'autoroute à partir des voies en direction sud de l'avenue et descendent de l'autoroute pour rejoindre les voies en direction nord. Elle passe ensuite dans le tunnel Atwater sous le canal de Lachine. Entre le canal et la falaise Saint-Jacques, elle longe le marché Atwater et la station de métroLionel-Groulx, et constitue la frontière traditionnelle entre les quartiers de la Petite-Bourgogne (à l'est) et de Saint-Henri.
En 1871, le conseil municipal donna le nom d’Atwater à cette avenue du quartier de Saint-Antoine.
Un tronçon isolé de l'avenue au sud du canal de Lachine, séparé du parcours principal de l'avenue au sud du tunnel, a été renommé en 2009 rue Thomas-Keefer, pour un autre contributeur à la réalisation du canal de l'Aqueduc[4].
↑Au Québec, par convention, on entend par orientation est/ouest ce qui est parallèle au fleuve Saint-Laurent, même si, en réalité, le fleuve coule du sud-ouest vers le nord-est.
↑Dans les faits, l'avenue Atwater constitue la limite municipale de Westmount seulement entre la rue Saint-Antoin et le boulevard René-Lévesque. Au nord de René-Lévesque, la limite municipale entre Westmount et Montréal passe de façon oblique à travers l'Hôpital de Montréal pour enfants, la bibliothèque Atwater, la Plaza Alexis-Nihon, le collège Dawson et le quartier résidentiel au nord de la rue Sherbrooke. Elle croise l'avenue Atwater à peu près à la hauteur de son intersection avec la rue Tupper, de sorte que le tronçon entre René-Lévesque et Tupper se situe dans Westmount.