海西州境内河流可分为外流和内陆两大水系，唐古拉山的沱沱河是长江的源头,布哈河为青海湖补给的主要水源。境内长流性河流达80余条,其中集水面积500km²以上的中小河流40余条，境内与地区经济社会发展密切相关的主要河流有那棱格勒河、格尔木河、香日德河、巴音河、诺木洪河、察汗乌苏河、夏日哈河、塔塔棱河、鱼卡河、都兰河及布哈河计11条河流，那棱格勒河为内陆河中最大的河流。

柴达木盆地为海西州州域的主体，盆地有大小河流70余条,其中常年有水的40余条。重要的河流有28条，分别注入盆地中心的12个湖泊。柴达木盆地水系主要由尕斯湖水系、苏干湖水系、德宗马海湖水系、大柴旦湖水系、小柴旦湖水系、托素湖水系、都兰湖水系、东西台吉乃尔湖水系、东西达布逊湖水系、南北霍鲁逊湖水系等组成。后三个水系河网发育，水量比较丰沛。东西台吉乃尔湖水系由盆地最大的河流那陵格勒河和一些小河流组成。东西达布逊湖水系由乌图美仁河、托拉海河、格尔木河及大小灶火河等组成。南北霍鲁逊湖水系由大格勒河、诺木洪河、香日德河、察汗乌苏河、沙柳河等组成。盆地北部较大水系：尕斯湖水系主要由新疆维吾尔自治区入境的铁木里克河和境内的曼特里克河组成，苏干湖水系主要由大、小哈尔腾河组成，德宗马海湖水系主要由鱼卡河、嗷唠河组成，托素湖水系由巴音河、巴勒更河等组成。河网在地区分布上很不均匀，多雨的东南部和东北部水系发育，河网密集；干旱少雨的西北部则河流稀疏；中部出现大面积无径流地区。天峻县布哈河属青海湖水系。

降水是河川径流的总补给源，但是由于降水在时间和空间上的变化以及对河流水文情势的影响不同，又可划分为不同的补给来源。柴达木盆地河川径流的补给源随着流域高程的变化，自然条件和降水方式的不同，呈显著的垂直地带性规律；高山地带以冰雪融水补给为主，低山地带则以雨水补给为主，中山地带除上述二种情况外，还可能有季节积雪融水补给，河流在出山口处，其径流往往不是单一的补给，而是包括地下水在内的混合补给。盆地主要河流中以冰雪融水补给为主的有大、小哈尔腾河及塔塔棱棱河等；以雨雪补给为主的有巴音河、香日德河、察汗乌苏河等；以地下水补给为主的有那陵格勒河、格尔木河、诺木洪河、沙柳河、都兰河等。

柴达木盆地是我国盐湖分布最多的地区之一，有大于1km²的湖泊42个，总面积1967.7km²，湖泊率0.77%,接近全国0.8%的水平。其中矿化度小于2克/升的淡水湖15个,面积476.9km²;矿化度2-35克/升的盐湖6个,面积322.3km²；其余为矿化度大于35克/升的盐湖。湖水总储量10亿m³，其中淡水90亿m³。淡水湖主要分布在昆仑山北麓海拔4000米以上的径流形成区，在盆地底部则只有一个可鲁克湖为淡水湖，其他均为咸水湖和盐湖。咸水湖和盐湖集中分布在地区中心低洼地带，是地表水和地下水的泄集处。