Mạng lưới sông suối trên lãnh thổ phần lớn chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, phù hợp với độ nghiêng của địa hình. Nhìn chung sông ngắn, dốc. Chế độ mưa mùa quyết định đến thuỷ chế của sông ngòi.
Mạng lưới thuỷ văn lưu vực sông Mã đang nghiên cứu được hình thành bởi sông chính là sông Mã và các chi lưu của nó như sông Chu, sông Bưởi, sông Luông cùng rất nhiều sông suối nhỏ đổ vào.
Sông Mã là hệ thống sông lớn ở miền Bắc Việt Nam, ngoài 2 phụ lưu lớn là sông Chu và sông Bưởi đều nhập vào dòng chính ở hạ lưu, sông Mã còn có nhiều phụ lưu nhỏ như: Nậm Ty, Nậm Ban, Nậm Hét, sông Luông, sông Lò...
Phần thượng lưu sông hẹp và sâu, độ dốc đáy sông hạ thấp rõ rệt, vùng này sông chảy qua đá vôi và diệp thạch.
Về chế độ dòng chảy trên lưu vực chia làm hai mùa rõ rệt: mùa lũ và mùa kiệt.
Mùa lũ từ tháng VI - X, riêng sông Chu mùa lũ tới muộn hơn 1 tháng (từ VII- X). Điều này phù hợp với phân bố mưa trên lưu vực vì sông Chu nằm ở vĩ độ thấp hơn, là nơi chuyển tiếp giữa hai miền Tây Bắc và Trường Sơn Bắc, nên hoạt động của các hình thái thời tiết gây mưa như dải hội tự nhiệt đới, bão, áp thấp...muộn hơn. Mùa cạn từ tháng XI - V năm sau.
Sự phân bố dòng chảy năm trên lưu vực phụ thuộc vào phân bố mưa trong không gian, vùng thượng và trung lưu sông Mã dòng sông nằm ở nơi khuất gió Tây Nam, chỉ có gió Tây khô nóng, mưa ít nên lượng dòng chảy tương đối nhỏ, mô đuyn dòng chảy năm chỉ đạt MP = 13 - 18l/s.km2. Vùng thượng nguồn các sông Luông, sông Lò và sông Bưởi là nơi có nguồn nước dồi dào nhất Mo = 25 - 35 l/s.km2.
Vùng thượng nguồn sông Chu mưa ít nên lượng dòng chảy rất nhỏ, tại Văng Sek (đất Lào) Mo = 13.3 l/s.km2. Sông Chu sau khi chảy qua biên giới Lào - Việt, lượng dòng chảy tăng rõ rệt, tới Mường Hinh Mo = 18.1 l/s.km2. Từ Mường Hinh xuôi xuống Bái Thượng do địa hình thuận lợi, tạo điều kiện cho gió mùa Đông Nam dễ dàng xâm nhập, lượng mưa tăng lên đáng kể, tại Cửa Đạt Xnăm ≈ 2300mm tương ứng với lượng dòng chảy Mo
= 20.1 l/s.km2, đặc biệt nhánh sông Âm có lượng dòng chảy lớn nhất lưu vực, tại trạm Lang Chánh Mo= 42.1 l/s.km2