Der Kleine Saynbach entspringt etwa 15 km nordöstlich der Montabaurer Höhe und südöstlich von Obersayn, einem Ortsteil von Rothenbach, an der Elbinger Lei auf einer Höhe von 442 m ü. NHN.
Von hier fließt er kurz nach Norden Richtung Obersayn, unterfließt die Bundesstraße 255 und verläuft danach in südwestlicher Richtung an den südöstlichen Ausläufern des Helleberg nach Arnshöfen, wo er die Bundesstraße 8 unterquert, und dann nach Kuhnhöfen. Danach tritt er in das Gemeindegebiet von Niedersayn ein und fließt entlang der Ortsteile Karnhöfen, Blaumhöfen und Niedersayn nach Helferskirchen, wo er nördlich auf den Ortsteil Niederdorf trifft.
Der Bach vor dem Viadukt in Nordhofen
Das Viadukt von Nordhofen
Weiter nach Südwesten fließend erreicht er die Gemeinden Quirnbach und Vielbach, danach tritt er in das südliche Gemeindegebiet von Nordhofen ein, wo er unter dem Viadukt von Nordhofen, einem Viadukt an der Teilstrecke Holzbachtalbahn Siershahn–Altenkirchen der Bahnstrecke Engers–Au, verläuft und bei der Mausmühle in das Gemeindegebiet von Oberhaid eintritt.
Er fließt kurz nördlich an Oberhaid vorbei und tritt auf einer Höhe von ungefähr 221 m ü. NHN südlich von Ellenhausen als linker Nebenfluss in die Sayn ein.
Der etwa 16,5 Kilometer lange Lauf des Kleinen Saynbachs endet ungefähr 221 Höhenmeter unterhalb seiner Quelle, er hat somit ein mittleres Sohlgefälle von etwa 13 ‰.