לקולורדו נשפכים 25 יובלים משמעותיים. הגדול בהם הוא הנהר גרין, הן באורך והן בספיקה. הנהר גרין מנקז את רכס וינד ריוור של מרכז-מערב ויומינג, את הרי יואינטה ביוטה ואת הרי הרוקי של צפון-מערב קולורדו. הנהר חילה הוא השני באורכו ואגן הניקוז שלו גדול מזה של הנהר גרין, אבל ספיקתו נמוכה בהרבה בשל האקלים הצחיח יותר של אגן הניקוז ושאיבת המים ממנו בכמויות גדולות להשקיה ולמי שתייה. הן הנהר גניסון והן הנהר סן חואן, שמרבית מימיהם מגיעים מהפשרת השלגים בהרי הרוקי, תורמים לנהר יותר מים משתורם הנהר חילה.
ספיקה.
במצבו הטבעי זורמים בנהר קולורדו כ-20.1 קילומטרים מעוקבים של מים מדי שנה למפרץ מקסיקו, כמות מים השקולה לספיקה ממוצעת של 640 מטרים מעוקבים בשנייה. משטר הזרימה של הנהר היה בעבר בלתי-יציב, ולמעשה "לפני בניית הסכרים ומאגרי המים הפדרליים היה הקולורדו נהר של קיצוניות שלא היה דומה לו בשום נהר בארצות הברית". בעבר הגיעה הספיקה לשיא של 2,800 מטרים מעוקבים בשנייה בקיץ, ולשפל של פחות מ-71 מטרים מעוקבים בשנייה בחורף. בטופוק (Topock), כ-480 קילומטרים משפך הנהר, נמדדה ב-1884 הספיקה המקסימלית של 10,900 מטרים מעוקבים בשנייה, והספיקה המינימלית נמדדה ב-1935 והייתה 11.9 מטרים מעוקבים בשנייה. בניגוד לכך, קצבי הספיקה המווסתת בקולורדו התחתון מעבר לסכר הובר כמעט אף פעם אינם עולים על 990 מטרים מעוקבים בשנייה או יורדים מתחת ל-110 מטרים מעוקבים בשנייה. סך כל הזרימה השנתית נע משיא של 27.4 קילומטרים מעוקבים ב-1984 לשפל של 4.7 קילומטרים מעוקבים ב-2002, אם כי במרבית השנים רק חלק קטן מזרם זה, אם בכלל, הגיע למפרץ.
בין 85% ל-90% של מי הקולורדו מקורם בהפשרת שלגים, בעיקר מהרי הרוקי של קולורדו וויומינג. שלושת היובלים העליונים העיקריים של הקולורדו: גניסון, גרין וסן חואן, מספקים לבדם 11 קילומטרים מעוקבים של מים מדי שנה לערוץ המרכזי, מרביתם מהפשרת שלגים. יתרת המים, 10% עד 15%, מגיעה ממגוון מקורות, בעיקר מי תהום וגשמי סערות מונסון בקיץ. גורם אחרון זה מייצר לעיתים קרובות שיטפונות מקומיים כבדים ביובלים בחלקו התחתון של הנהר, אבל בדרך כלל לא תורם כמויות משמעותיות של נגר עילי. רוב הזרימה השנתית באגן מתרחשת עם התמוססות השלג בהרי הרוקי, המתחילה באפריל ומגיעה לשיאה במאי וביוני, בטרם היא נפסקת בשלהי יולי או תחילת אוגוסט.
הזרימה בשפך הנהר הלכה והצטמצמה מתחילת המאה ה-20, ובמרבית השנים מאז 1960 חלקו התחתון של נהר הקולורדו הוא ערוץ יבש. השקיה, הטיית מים לשימוש תעשייה ומי שתייה, התאדות ממאגרים ושינוי האקלים תרמו כולם להקטנה משמעותית זו בזרימה, תהליך המאיים על אספקת המים בעתיד. לדוגמה, הנהר חילה, שפעם היה אחד היובלים הגדולים ביותר של הקולורדו, לא תורם יותר מזרזיף במרבית השנים בשל השימוש במימיו על ידי הערים והחוות של מרכז אריזונה. הספיקה הממוצעת של הקולורדו בנקודה הצפונית ביותר של הגבול בין ארצות הברית למקסיקו היא 58 מטרים מעוקבים בשנייה או 1.84 קילומטרים מעוקבים בשנה, פחות מעשירית מהספיקה הטבעית של הנהר, בשל השימוש במים במעלה הנהר. מעבר לנקודה זו כל יתרת המים מוסטת על מנת להשקות את עמק מקסיקלי. מעבר לסכר מורלוס ועד הים יש ערוץ נחל יבש שמדי פעם זורמים בו עודפים של מי השקיה. עם זאת, בכמה הזדמנויות, בעיקר בשנות ה-80 של המאה ה-20, אירע שהקולורדו הגיע שוב לים במהלך כמה שנים רצופות שבהן ירדו כמויות חריגות של שלג ומשקעים. ב-1984 הצטברו עודפי מים רבים והביאו לכך ש-20.4 קילומטרים מעוקבים (שווה ערך לספיקה של 647 מטרים מעוקבים בשנייה במשך שנה) נשפכו לים.
הסקר הגאולוגי של ארצות הברית מפעיל או הפעיל 46 תחנות מדידת ספיקה, על מנת למדוד את הספיקה של נהר הקולורדו, החל מהמקורות סמוך לגרנד לייק (Grand Lake) ועד הגבול בין ארצות הברית למקסיקו. הטבלאות משמאל מציגות את המידע שנאסף בשמונה מתחנות אלו. ספיקת הנהר כפי שנמדדה בליז פרי באריזונה, בערך בנקודת האמצע של הנהר, 26 קילומטרים במורד הזרם מסכר קניון גלן, משמשת לקביעת הקצאת המים באגן נהר הקולורדו. הספיקה הממוצעת שנמדדה בו הייתה בערך 420 מטרים מעוקבים בשנייה או 13.22 קילומטרים מעוקבים בשנה, בין 1921 ל-2010. נתונים אלו הושפעו מאוד מהטיות של המים והתאדות של מים מהמאגרים במעלה הנהר, בייחוד לאחר השלמת מיזם אגירת מי נהר הקולורדו בשנות ה-70 של המאה ה-20. קודם להשלמת סכר קניון גלן ב-1964 הייתה הספיקה הממוצעת שנמדדה בין 1912 ל-1962, 505 מטרים מעוקבים בשנייה שהם 15.95 קילומטרים מעוקבים בשנה.
אגן הניקוז.
אגן הניקוז של נהר הקולורדו משתרע על שטח של 640,000 קילומטרים רבועים של דרום-מערב אמריקה הצפונית, השביעי בגודלו ביבשת. כ-618,000 קילומטרים רבועים או 97% מכלל שטח אגן הניקוז שוכנים בארצות הברית. הנהר ויובליו מנקזים את מרבית מערבן של המדינות קולורדו וניו מקסיקו, דרום-מערב ויומינג, מזרח ודרום יוטה, דרום מזרח נבדה וקליפורניה, וכמעט את כל אריזונה. האזורים המנוקזים במקסיקו, בתוך באחה קליפורניה וסונורה, קטנים מאוד ואינם תורמים נגר בר מדידה. מרבית האגן צחיח, והוא בתחומי המדבריות סונורה ומוהאבי והמרחבים של רמת קולורדו, אם כי שטחי יערות משמעותיים שוכנים בהרי הרוקי, ברמות קאיבאב, אקווריוס ומרקאגנט בדרום יוטה ובצפון אריזונה, בשולי מגיון במרכז אריזונה, בכמה רכסי הרים קטנים ובאיי שמיים. האגן משתרע מגובה פני הים במפרץ קליפורניה ועד גובה של 4,365 מטרים בפסגת אנקומפגרה בקולורדו, כשממוצע הגובה לכל אורך הנהר הוא 1,700 מטרים.
האקלים בשטח אגן הניקוז מגוון; הטמפרטורה החודשית הממוצעת הגבוהה היא 25.3°C באגן העליון ו-33.4°C באגן התחתון, והטמפרטורה החודשית הממוצעת הנמוכה היא 3.6°C- ו-8.9°C בהתאמה. כמות המשקעים השנתית הממוצעת היא 164 מילימטרים ונעה בין יותר מ-1,000 מילימטרים בחלק מהאזורים בהרי הרוקי ל-15 מילימטרים בלבד בחלק המקסיקני של הנהר. האגן העליון מקבל את המשקעים בצורת שלג וגשם בחורף ובתחילת האביב, בעוד שהמשקעים באגן התחתון יורדים בעיקר כגשמים חזקים אך נדירים במהלך סופות הרעמים הקיציות שמקורן במונסון של אמריקה הצפונית.
נכון ל-2010 התגוררו 12.7 מיליון איש באגן הנהר קולורדו. האזורים המטרופוליטניים הגדולים ביותר באגן הניקוז הם פיניקס באריזונה ולאס וגאס בנבדה. צפיפות האוכלוסייה גבוהה גם לאורך החלק התחתון של נהר הקולורדו מסכר דייוויס דרומה, כשהערים העיקריות הן בולהד סיטי, לייק האווסו סיטי ויומה. מרכזי אוכלוסייה משמעותיים אחרים באגן כוללים את טוסון באריזונה, סנט ג'ורג' ביוטה וגראנד ג'נקשן בקולורדו. אוכלוסיית המדינות באגן הנהר קולורדו צומחת בקצב שהוא בין הגבוהים בארצות הברית. האוכלוסייה של נבדה לבדה צמחה ב-66% בין השנים 1990 ל-2000 ובמקביל גדלה אוכלוסיית אריזונה ב-40%.
אגן הניקוז של נהר הקולורדו גובל באגני ניקוז עיקריים רבים של אמריקה הצפונית. קו פרשת המים של אמריקה מהווה חלק גדול מן הגבול המזרחי של אגן הניקוז, כשהוא מפריד בינו לבין אגני הניקוז של הנהרות ילוסטון ופלאט – שניהם יובלים של הנהר מיזורי – בצפון מזרח, וממקורותיו של הנהר ארקנסו במזרח. הן המיזורי והן הארקנסו הם חלק ממערכת הנהר מיסיסיפי. דרומה משם גובל אגן הקולורדו באגן הניקוז של הריו גראנדה, שכמו המיסיסיפי זורם למפרץ מקסיקו, כמו גם סדרה של אגני ניקוז סגורים בדרום-מערב ניו מקסיקו ובקצה הקיצוני של דרום מזרח אריזונה.
בקטע קצר גובל אגן הניקוז של הקולורדו באגן הניקוז של הנהר סנייק, יובל של הנהר קולומביה, ברכס וינד ריוור של מערב ויומינג. דרומית מערבית משם, קו פרשת המים הצפוני של אגן הקולורדו עוקף את הקצה של האגן הגדול, כשהוא גובל באגני הניקוז הסגורים של ימת המלח הגדולה והנהר סווייר במרכז יוטה, ואגנים סגורים נוספים בדרום יוטה ונבדה. מערבה בקליפורניה גובל אגן הניקוז של הנהר קולורדו באגני ניקוז סגורים במדבר מוהאבי, שהגדול בהם הוא אגן הניקוז של ימת סלטון צפונית לדלתה של הנהר קולורדו. בדרום, גובלים אגני הניקוז של הנהרות סונויטה (Sonoyta), קונספסיון (Concepción) ויאקי, שכולם נשפכים למפרץ קליפורניה, באגן הניקוז של הקולורדו.
גאולוגיה.
עד תור הקרטיקון, לפני כ-100 מיליון שנים, היה רוב החלק המערבי של אמריקה הצפונית שקוע תחת מי האוקיינוס השקט. כוחות טקטוניים מהתנגשות לוח פרלון בלוח הצפון-אמריקאי הרימו את הרי הרוקי בתקופה שלפני 75 ל-50 מיליון שנים באירוע יוצר ההרים הידוע כאורוגנזה הלרמידית. הקולורדו נוצר לראשונה כפלג הזורם מערבה והמנקז את החלק הדרום-מערבי של הרכס. התרוממות זו הסיטה גם את הנהר גרין ממסלולו המקורי שבו זרם אל נהר המיסיסיפי, מערבה לעבר הקולורדו. לפני 30 עד 20 מיליון שנים הובילה פעילות געשית הקשורה לאורוגנזה להתפרצות האיגנימבריט של אמצע השלישון, שיצרה תצורות קטנות יותר דוגמת הרי צ'יריקאווה באריזונה והשקיעה כמויות מסיביות של אפר ושברים געשיים באזור האגן. רמת קולורדו החלה להתרומם במהלך האאוקן, בין לפני 55 ל-34 מיליון שנים, אבל הגיעה לגובהה הנוכחי רק לפני כ-5 מיליון שנים, בערך באותו הזמן שבו קבע נהר הקולורדו את מסלולו הנוכחי למפרץ קליפורניה.