To elver deler kommunen i to, øst og vest for elven(e). Glåma er klart den største og renner i hoveddalføret, mens Atna-elven løper gjennom Atndalen. Tilførselselver til Glåma er Hovda og Søkkunda (fra vest), Neta (fra øst), Imsa med sideelvene nordre og søndre Eldåa (fra vest), Trya (fra vest), Kjemåa (fra øst), Tresa (fra øst) og søndre og nordre Bjøråa (fra vest). Tilførselselver til Atna-elven er Storgryta, Veslegryta og Setninga. Største innsjø er Atnsjøen, delt mellom Stor-Elvdal og Sør-Fron, med den største delen i Stor-Elvdal. Andre store sjøer er Setningssjøen, Myklebysjøen og Søkkundsjøene.