Thành phố Hà Nội có các con sông lớn chảy qua là sông Hồng, sông Đuống, sông Cầu, sông Cà Lồ, sông Công, các sông nhỏ như sông Nhuệ, sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét, có rất nhiều hồ ao và đầm lầy, các hồ lớn như Hồ Tây, Quảng Bá, Trúc Bạch, Bảy Mẫu, Hoàn Kiếm, Yên Sở, Kim Nỗ và đầm Vân Trì [35].
Về mặt tự nhiên, hệ thống sông hồ Hà Nội thuộc hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, phân bố không đều giữa các vùng, có mật độ thay đổi trong phạm vi khá lớn 0,67 – 1,6km/km2. Một số con sông chính trong hệ thống sông của Hà Nội bao gồm :
Sông Hồng chảy trong địa phận thành phố Hà Nội với chiều dài 39km, có lưu lượng hàng năm rất lớn, tới 2.640m3/s với tổng lượng dòng chảy qua tới 83,5 triệu m3. Lũ sông Hồng chủ yếu do các phụ lưu chính là sông Đà và sông Lô gây nên. Hàng năm mùa lũ là 5 tháng (tháng VI – X dương lịch). Tháng có lưu lượng bình quân lớn nhất, đỉnh lũ là tháng VIII, lưu lượng nước bằng 15% tổng lượng nước cả năm và bằng cả 7 tháng mùa cạn (tháng XI đến tháng V năm sau). Tháng có lưu lượng nhỏ nhất là tháng III. Lượng phù sa sông Hổng rất lớn, trung bình 100
triệu tấn/năm và phù sa màu mỡ (pH = 7, lượng đạm = 14g/m3, lượng mùn = 2,76 – 3,18m3) Lượng phù sa chủ yếu trong mùa lũ chiếm 90% tổng lượng phù sa cả năm.
Sông Đuống là phân lưu của sông Hồng dài 65km, nối sông Hồng với sông Thái Bình. Lượng nước sông Đuống cấp cho sông Thái Bình tại Phả Lại bằng 76% tổng lượng dòng chảy. Trong mùa lũ, sông Đuống đã tiêu khoảng 73% nước lũ sông Hồng, hàng năm cũng vận chuyển một lượng nước là 27,3 triệu m3 với lưu lượng trung bình 851m3/s.
Sông Nhuệ bắt nguồn từ gần đầm Bát Lang (Hạ Mỗ - Đan Phượng) rất nhỏ, sau to dần trông tựa hình dáng cái dùi. Hiện nay, sông Nhuệ không còn đơn thuần là sông tự nhiên mà là sông đào nối nhiều đoạn sông cổ với nhau. Sông Nhuệ chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam có chiều dài 73km nối với sông Hồng tại Chèm chảy qua các quận huyện Từ Liêm, Hà Đông, Thường Tín, Phú Xuyên và đổ vào sông Đáy tại thị xã Phủ Lí. Sông được kiểm soát bởi cống Chèm. Vào thời vụ người ta mở cống lấy nước phục vụ sản xuất nông nghiệp. Khi mưa lớn sông có nhiệm vụ tiêu thoát úng. Chế độ nước sông Nhuệ chịu ảnh hưởng của chế độ nước sông Hồng và chế độ mưa của lưu vực tại Hà Nội.
Sông Tô Lịch là con sông cổ của Thăng Long. Năm 1889, thực dân Pháp lấp nhánh sông Tô từ chỗ cửa sông Hồng (cửa Hà Khẩu) qua Hàng Cá, Hàng Lược, Phan Đình Phùng rồi tới Thụy Khuê, chỉ còn lại nhánh từ đầu phố Thụy Khuê lên chợ Bưởi, rẽ xuống Nam qua Cầu Giấy, Láng, Ngã Tư Sở, Đại Kim, Thanh Liệt (chỗ này có đoạn sông đào nối thông với sông Nhuệ ở Cầu Bươu; hiện đoạn sông đào này đã được xây hệ thống cống điều tiết nước để không cho dòng của sông Tô Lịch tự do đổ vào sông Nhuệ, tránh gây ô nhiễm môi trường cho sông Nhuệ) rồi qua các xã của huyện Thanh Trì tới xã Hòa Bình thì đổ vào sông Nhuệ. Từ khi bị lấp cửa, sông thoái hóa và bị bồi lấp hiện chỉ còn là cống thoát nước thải của thành phố, ô nhiễm rất nặng. Hiện nay sông Tô Lịch đã được nạo vét và kè hai bên bờ sông đoạn từ Nghĩa Đô đến Thanh Liệt. Tuy vậy, dòng chảy vẫn không được cải thiện nhiều và về cơ bản vẫn làm nhiệm vụ thoát nước thải cho thành phố Hà Nội.
đường La Thành qua cống Nam Đồng, Phương Liệt tới phường Thịnh Liệt thông với sông Sét, qua các xã Yên Sở, Tứ Hiệp, Ngũ Hiệp, Đông Mỹ (Thanh Trì) rồi chảy vào huyện Thường Tín nhập dòng sông Nhuệ. Sông Kim Ngưu hiện nay cũng chỉ có tác dụng như mương dẫn nước thải của thành phố Hà Nội.
Sông Cà Lồ dài 89km, trước kia là phân lưu của sông Hồng, được tách ra từ xã Trung Hà – Yên Lạc (Vĩnh Phúc), sau đó bị lấp nên sông Cà Lồ hiện nay bắt đầu từ xã Vạn Yên (cách bờ trái sông Hồng khoảng 3km). Sông có độ uốn khúc cao, chảy vòng vèo nhận nước của nhiều sông suối từ dãy Tam Đảo đổ xuống và làm thành ranh giới tự nhiên giữa 3 huyện Sóc Sơn, Đông Anh và Mê Linh. Lưu lượng bình quân rất nhỏ, khoảng 30m3/s.
Sông Cầu bắt nguồn từ miền núi Chợ Đồn (Bắc Kạn) chảy qua một số địa phương đến Phả Lại nhập với sông Thương, sông Lục Nam, sông Đuống ở Lục Đầu Giang thành sông Thái Bình. Vào mùa mưa, lưu lượng dòng chảy cao nhất đạt 3.500m3/s. Ảnh hưởng của thủy triều lên tới ngã ba sông Công. Lũ sông lên nhanh song cũng rút nhanh, ít phù sa. Tác dụng của sông là cung cấp nước tưới cho phần phía Đông huyện Sóc Sơn.
Các hồ ở Hà Nội không chỉ là các danh lam thắng cảnh, các cảnh quan sinh thái mặt nước cây xanh, một nét đặc trưng không thể thiếu trong kiến trúc đô thị mà còn góp phần không nhỏ cho tưới tiêu nông nghiệp, điều tiết lượng mưa và tiểu khí hậu trong vùng. Một số hồ ao nhân tạo nhận nước từ mạng lưới sông, kênh mương và hình thành nên một phần của hệ thống thu hồi nước thải và thoát nước phức tạp.