海西州属典型的高寒干旱大陆性气候，年平均降水量16.7～487.7mm，年平均蒸发量1353.9～3526.1mm。全区现代冰川面积2062.07km²，冰川储量577.6亿m³，冰川年融化水量10亿m³，是主要河流的重要补给来源。境内河流分为外流和内陆两大水系,唐古拉山的沱沱河是长江源头，布哈河为青海湖补给的主要水源。主要河流有巴音河、布哈河、香日德河、格尔木河、那棱格勒河等。海西州水资源总量116.55亿m³，其中：地表水资源量107.03亿m³，地下水资源量52.06亿m³，地表水资源与地下水资源重复量42.54亿m³。每平方公里产水量仅3.87万m³，是全省平均水平的44.3%，全国平均水平的13.3%。

海西州的主要组成部分为柴达木盆地，盆地总面积28.04万km²，是青海省六大内陆流域之一，年平均降水量115.9mm，约五分之一的降水可形成径流。盆地水资源总量55.88亿m³，其中：地表水资源量47.47亿m³，地下水资源量39.54亿m³，地表水资源与地下水资源重复量31.13亿m³。每平方公里产水量1.99万m³。