神农架水系发育旺盛，以大神农架、小神农架为中心形成放射状水系结构，区内具有山高、坡陡、谷深，垭、沟、槽交错，地形复杂，雨量充沛，河流众多，孕育了堵河、南河、香溪河、沿渡河四大水系，大小溪流共有317条，都属于长江中游水系，山北有堵河、南河两条水系流入汉江，山南有香溪河、沿渡河（神农溪）两条水系流入长江。
堵河水系：堵河是汉江第一大支流，南水北调工程的重要水源地，地跨陕西、湖北两省，干流全长约354公里，流域面积约12430平方公里，平均坡降4.81%，流域平均海拔高度1034米，自然落差1586米。
南河水系：为汉江支流，发源于神农架神农顶，从关门河至鱼头河，流域面积533平方公里，年平均径流量每秒24.53立方米，总落差55.2米，水能理论蕴藏量10830千瓦。
香溪河水系：香溪河是长江的一级支流，发源于神农架当阳河、九冲河。其中，九冲河长度45公里，当阳河长度68.5公里。全部流域面积3207平方公里。
沿渡河水系：沿渡河又称神农溪，是长江支流，区内流域面积219平方公里，流长17公里。
