Водный режим реки Зеи характеризуется сильными летними дождевыми паводками, регулярно приводящими к наводнениям (в частности, значительные наводнения отмечались в 1928, 1953, 1956, 1972, 1984, 2013 годах). При проектировании Зейской ГЭС особое внимание было уделено её противопаводковой функции, в частности в водохранилище создана специальная противопаводковая ёмкость выше НПУ. За период эксплуатации Зейской ГЭС станция неоднократно привлекалась для борьбы с наводнениями. Так, летом 2007 года максимальные притоки в водохранилище составляли 15 200 м³/сек, а максимальный сброс через сооружения ГЭС — 4700 м³/сек, что позволило предотвратить масштабное затопление населённых пунктов на Зее и Амуре. В то же время, были затоплены строения в с. Овсянка, построенные с нарушениями действующих требований в зоне периодического затопления; впоследствии, население было переселено из зоны затопления. Летом 2013 года произошло очередное катастрофическое наводнение, самое сильное за весь период наблюдений. При быстром увеличении объема воды в бассейне реки из-за продолжительных проливных дождей были заполнены до НПУ водохранилища Зейской и Бурейской ГЭС, водохранилище Зейской ГЭС продолжало наполняться выше НПУ, используя противопаводковую ёмкость. Максимальный расход воды через Зейскую ГЭС при этом составил 5000 м³/с, тогда как приточность воды в водохранилище доходила до 11 700 м³/с. В целом, в Зейском водохранилище было задержано почти две трети объёма поступившей в него воды, была достигнута максимальная за всю историю отметка уровня водохранилища 319,53 м. В 2016 году в водохранилище станции был полностью аккумулирован максимальный суточный приток за всю историю наблюдений в объёме 16 100 м³/с, при этом расходы в нижний бьеф составили всего 726 м³/с.