là 28.400 km2, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Sông Mã có 2 nguồn, một từ phía Tây Tuần Giáo (Điện Biên) xuống, một từ Bắc Pu Sam - Sao đổ về qua Sầm Nưa (Lào) rồi đổ vào Thanh Hóa, chảy ra biển Đông qua ba cửa: cửa Lèn, cửa Lạch
Trường và cửa Hới. Hệ thống sông Mã có nhiều phụ lưu nhưng quan trọng nhất là phụ lưu hữu ngạn sông Chu
Sông Chu bắt nguồn từ dãy Pu-pan ở Sầm Nưa (Lào) có chiều dài 325 km và diện tích lưu vực 758 km2. Sông Chu chảy song song với sông Mã và đổ vào sông Mã ở ngã Ba Bông, cách biển 25 km. Sông Mã có lưu lượng dòng chảy không phong phú lắm, lưu lượng bình quân tại Cẩm Thủy là 341 m3/giây, tương đương với tổng lượng dòng chảy năm là 10,8 tỉ m3, song nếu tính cả các phụ lưu thì bình quân đo được ở ngã Ba Bông tới 526 m3/giây, tương với đương tổng lượng dòng chảy năm 16,6 tỉ m3, trong đó của sông Mã là 68% và của sông Chu là 28%.
Lượng phù sa sông Mã cũng tương đối khá. Tại Cẩm Thủy độ đục bình quân 402 g/m3, ứng với tổng lượng phù sa là 4,35 triệu tấn/năm và hệ số xâm thực bằng 248 tấn/năm/km2. Trên sông Chu thì ít hơn nhiều, tại Xuân Khánh đo được độ đục bình quân là 192 g/m3, ứng với tổng lượng phù sa bằng 0,8 triệu/tấn/năm và hệ số xâm thực 109 tấn/năm/km2.
Thủy chế mùa lũ từ tháng VI - X, chiếm 75% tổng lượng nước cả năm, cực đại vào tháng VIII (chiếm 21%). Mùa lũ trên sông Chu cũng vào thời gian trên, nhưng độ tập trung nước chiếm đến 88% tổng lượng nước cả năm
Mùa cạn ở sông Mã từ tháng XI - V năm sau (chỉ chiếm 25%), nhưng tháng kiệt nhất là tháng IV chiếm 2,1%, trong khi đó trên sông Chu mùa cạn chỉ chiếm 12% và tháng kiệt nhất là tháng III chỉ chiếm 0,8%. Như vậy thủy chế sông Chu khắc nghiệt hơn thủy chế sông Mã. Vì lẽ đó từ lâu đã phải xây dựng đập Bái Thượng trên sông Chu(ở Thọ Xuân Thanh Hoá) để điều tiết nước phục vụ cho nông nghiệp.