Lượng mưa phân bố trên địa bàn tỉnh Sơn La thuộc loại trung bình nhưng không đồng đều theo không gian, biến đổi từ 1.100 mm đến 1.700 mm theo các tiểu vùng quy hoạch. Toàn tỉnh có lượng mưa trung bình nhiều năm (X0) vào khoảng 1.400 mm/năm và tổng lượng nước mưa trên toàn tỉnh là 19,78 tỷ m3 mỗi năm. Với tổng lượng nước mưa trên thì bình quân là 1,4 triệu m3/km2.năm. Lượng nước mưa đến lưu vực biến đổi rất mạnh theo không gian, lượng mưa lớn nhất tập trung tại khu vực tâm mưa Tam Đường và Sìn Hồ (khu vực tiếp giáp với tỉnh Lai Châu thuộc các huyện Quỳnh Nhai, Mường La, Bắc Yên) do ảnh hưởng của địa hình.
Lượng mưa năm trung bình nhiều năm cập nhật số liệu đến nay sản sinh trên các tiểu vùng quy hoạch tính theo bản đồ đẳng trị X0 như bảng dưới, trong đó lớn nhất là trên tiểu vùng Suối Sập Vạt và phụ cận là 6,770 tỷ m3, sau đó là tiểu vùng suối Sập và phụ cận là 2,81 tỷ m3. Nếu tính lượng nước mưa theo bình quân đầu người thì Sơn La có lượng mưa bình quân đầu người khoảng 19,343 nghìn m3/người.năm, lớn nhất là trên tiểu vùng suối Sập và phụ cận có lượng nước mưa tới gần 40 nghìn m3/người.năm và nhỏ nhất là trên tiểu vùng suối Nậm La có 5.470 m3/người. năm. Các tâm mưa rất dễ hình thành lũ quét, đặc biệt tại các lưu vực suối Nậm Pàn, Nậm La và một vài lưu vực suối nhỏ khác. Sự phân bố lượng mưa theo không gian trên địa bàn tỉnh Sơn La được biểu thị qua bản đồ đẳng trị lượng mưa năm trung bình nhiều năm X0 của toàn tỉnh. Trong đó lượng mưa ít ở các vùng Mộc Châu, Yên Châu, Mai Sơn, Thuận Châu, Sơn La, Sông Mã. Lượng mưa nhiều ở các vùng Mường La, Bắc Yên, Quỳnh Nhai.
Lượng mưa trong tỉnh phân bố theo hai mùa rõ rệt, mùa mưa kéo dài từ tháng V đến tháng IX với lượng mưa chiếm 80% tổng lượng mưa năm, mùa khô
kéo dài từ tháng tháng X tới tháng IV năm sau. Lượng mưa lớn nhất thường rơi vào khoảng từ tháng V-IX, trùng với các tháng mùa mưa. Tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng VII, VIII, đạt từ 316-363mm/tháng. Lượng mưa lớn nhất mùa mưa là 6903mm (tháng VII). Lượng mưa nhỏ nhất thường vào các tháng XII, I, II, đạt từ 19 - 28mm/tháng. Những trận mưa lớn thường kéo dài 2 - 3 ngày, thậm chí 8 - 9 ngày. Do lượng mưa phân bố không đều giữa các tháng trong năm nên mùa mưa thường xảy ra lũ lụt (đặc biệt là lũ quét, sạt lở đất), gây nhiều thiệt hại về người và tài sản. Mùa khô xảy ra tình trạng hạn hán gây thiếu nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của người dân.