汉中位于汉水之源、秦巴之间，属长江流域，主要分为东西横贯的汉江水系和南北纵穿的嘉陵江水系，是南水北调中线工程的重要水源涵养地和省引汉济渭重要水源地。

汉江水系主要分布在秦岭和巴山之间，在汉中跨越汉台、城固、洋县、勉县、留坝、佛坪等6县（区）的全部和南郑、西乡、宁强、略阳、镇巴等5县（区）的部分镇（街道），流域面积19600.7平方千米，占全市总面积的72.3%。

嘉陵江水系分布在秦岭和巴山南坡，在汉中跨越略阳、宁强、南郑、西乡、镇巴等5县（区）的部分镇（街道），流域面积7506.8平方千米。全市流域面积10平方千米及以上河流569条。

汉江又名汉水，发源于秦岭南麓陕西省宁强县嶓冢山，是长江最大的支流。自西向东流经陕西省汉中市、安康市，于安康白河县出境流入湖北省境内，于武汉市汇入长江，全长1577千米，流域面积15.9万平方千米。汉江在陕西省内全长652千米，流域面积54711平方千米。在汉中的流域范围北起秦岭，南达米仓山，西接嘉陵江流域，东至子午河、茶镇与楮河一带，自西向东流经宁强、勉县、南郑、汉台、城固、洋县和西乡，横贯汉中盆地7个县（区）43个镇（街道），全长270千米。

嘉陵江，发源于秦岭北麓陕西省凤县代王山，经凤县，甘肃两当、徽县，于徽县虞关乡土地庙流入略阳县内，至宁强县燕子砭镇沈家坪村流入四川，于重庆市朝天门注入长江，干流全长1345千米，流域面积16万平方千米，为长江流域面积最大支流。在汉中市的流域范围为干流贯穿的宁强县、略阳县，及部分支流流经的镇巴县、西乡县、南郑区巴山南坡区域，干流全长151.75千米，平均比降1.35‰，流域面积7506.8平方千米，流经略阳县白水江镇、马蹄湾镇、徐家坪镇、横现河街道、兴州街道、白雀寺镇、乐素河镇7个镇（街道）以及宁强县巨亭、阳平关和燕子砭3个镇，共计流经2县10个镇（街道）。