盆地水汽主要来自西风气流。降水西部多于东部,边缘多于中心,迎风坡多于背风坡。盆地冬季有稳定积雪,冬春降水量占年总量30%~45%。除额尔齐斯河为外流河外,盆地其他河流均为内陆河,以盆地低洼部位为归宿。河流补给主要来自山区,春季平原融雪水亦有补给。按河流出山口处流量计算,共有年径流量210亿立方米(不包括伊犁河及塔城盆地河流),其中额尔齐斯河流出国境水量100亿立方米。额尔齐斯河是新疆第二大河,支流都源于阿尔泰山南坡。盆地的内陆河有4排水区:①乌伦古湖。为乌伦古河尾闾。②艾比湖。汇纳博尔塔拉、奎屯及精河等河。③玛纳斯湖。汇纳玛纳斯、金沟、巴音、塔西等河,源于准噶尔西部山地的10多条小河,曾以玛纳斯河为尾闾。④天山北坡独立水系。包括呼图壁至木垒的所有河流,都消失于灌区中。