Yên Sơn có diện tích đất sông suối và mặt nƣớc là 3.302,79 ha chiếm 2,73% diện tích đất tự nhiên, tập trung chủ yếu ở 3 con sông lớn:
- Sông Lô bắt nguồn từ Vân Nam (Trung Quốc) chảy qua Hà Giang đến Tuyên Quang chia huyện Yên Sơn thành 2 phần. Đoạn trong huyện có chiều dài khoảng 51km lƣu lƣợng nƣớc lớn nhất là 11.700m3/s, lƣu lƣợng nhỏ nhất là 128m3/s. Đây là đƣờng thuỷ duy nhất nối Tuyên Quang với Hà Giang, các tỉnh Trung du, miền núi và Đông Bắc Bộ.
- Sông Phó Đáy: Bắt nguồn từ vùng núi Tam Đảo huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn chảy vào Tuyên Quang qua địa phận huyện Yên Sơn, Sơn Dƣơng rồi sang đất Phú Thọ, lòng sông nhỏ, hẹp, khả năng vận tải hạn chế.
- Sông Gâm: Bắt nguồn từ Trung Quốc chảy qua Cao Bằng, Hà Giang đến Tuyên Quang gặp Sông Lô ở địa phận xã Tứ Quận (Yên Sơn) nối các huyện Na Hang, Chiêm Hoá với các tỉnh lỵ.
Ngoài 3 con sông lớn trên, Yên Sơn còn có các ngòi nhỏ khác nhƣ: Ngòi Chinh, ngòi Sính, ngòi Là, chúng liên kết với nhau tạo thành mạng lƣới theo các lƣu vực các sông chính. Là nguồn nƣớc cung cấp nƣớc phục vụ cho đời sống, sinh hoạt và chứa đựng tiềm năng phát triển thuỷ điện không nhỏ, song độ dốc lớn, lòng sông hẹp, nhiều thác ghềnh nên cũng thƣờng gây nguy hiểm bất ngờ cho thuyền bè và gây lũ lụt ở nhiều vùng thấp, đây là nguồn nƣớc chủ yếu phục vụ sản xuất nông nghiệp của huyện.
Việc vận chuyển lâm sản đƣờng thuỷ chỉ có thể thực hiện trên Sông Lô, còn Sông Gâm và Sông Phó Đáy gặp nhiều khó khăn.