海河流域处于暖温带大陆性季风区，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，降水又多以暴雨形式降落，全年降水量往往是几次暴雨的结果。海河干支流水量主要依据降雨补给（降雨补给的水量约占年径流量的80%以上），因此年径流量的时空变化与年降水变化趋势基本一致。
北部地区河流如潮白河、永定河等还有季节性融雪水补给，形成不太明显的春汛。
除降雨及融雪补给外、海河还受地下水补给。流经太行山、燕山区的河流。地下水多以泉水形式补给河流，如江滹沱河、滏阳河、漳卫河等均接受泉水补给，地下水补给量一般占8~10%左右，但个别河段地下径流丰富的可达40%，地下径流少的仅占5~6%。流经平原区的河流，如海河干流及五大支流中下游，河槽多未下切至潜水位，洪水期水位常高于两岸地面，或补给河流极少〔占年径流量的6%以下），或不能补给河流。 海河流域跨四省（河北、山西、山东、河南）、一区（内蒙古）、二市（北京、天津），流域总面积26.36万平方公里。年径流量为228亿立方米。流域面积在河北省境内者12.57万平方公里。年径流量为106.3亿立方米，其中山区76.6亿立方米，平原区29.7亿立方米。
径流地区分布
海河年径流的地区分布基本上与年降水一致。在太行山和燕山迎风坡，呈现一条与山脉弧形走向一致的径流深大于150毫米的高值地带。高值区的分布范围与多年平均年降水600毫米等雨线的多雨带基本吻合。在径流高值区内，由于局部地貌和水汽输送方向等影响，形成几个高值中心。如易县大良岗、灵寿县漫山及沙河县蝉房均为高值中心。
这些高值中心年降水750~800毫米，多年平均径流深为300~350毫米。其中以磁河横山岭水库上游的漫山一带为最高，年径流深达400毫米。自高值带两侧分别向西北和东南逐渐减小。向西北至桑干河、洋河上游年径流深降至50毫米以下，最小者仅25毫米。向东南为河北平原，有两个低值中心，一个在定兴县东部的十里铺，一个在冀县、南宫、衡水、束鹿周围，年径流深在25毫米以下，最小只有10毫米。其余地区年径流深大部在50~150毫米之间。
流经太行山区及山前洪积扇的河流，由于流域内多奥陶纪石灰岩，岩溶地貌发育。当流域不闭合（即地上、地下分水线不一致）时，年径流量的分布往往出现异常现象。如滏阳河的临洺关、韩村站漏水严重，年径流量只有59.1毫米，但相邻流域的东武仕水库站，由于有大量的外流域地下水的补给，年径流深高达1225.7毫米，比多年平均降水量大一倍多，外流域补给水量占自产水量的9倍。
径流年际变化
海河流域集水面积较小的支流，径流的年际变化与降水的年际变化趋势相类似，不同的是比降水的变化更剧烈，地区间的差异更大。而集水面积较大的支流，受流经气候区、下垫面及集水面积的影响，径流的年际变化比较复杂。
军都山、太行山山地及山前坡地，是海河流域年降水年际变化的高值区，也是径流年际变化的高值区。年降水变差系数为0.40~0.50，而年径流变差系数为0.80~1.00。年径流最大值与最小值之比为10~25。在军都山以北太行山以西的地区是年降水与年径流年际变化的低值区，年降水的变差系数为0.25~0.35，年径流变差系数为0.40~0.60。年径流最大与最小值之比为3~5。燕山以南，太行山以东的广大平原区是海河流域内降
水年际变化的次高值区，但径流年际变化却是海河流域最高的，年降水变差系数为0.35~0.45，年径流变差系数为1.0~1.5。造成这种现象的原因是平原地势低平，土层深厚。平水年和枯水年蒸发渗漏多，不易产生径流，而丰水年产水量却很大。
大行山南段，岩溶发育，径流年际变化出现两种反常情况，一种是漏水地区。变差系数高达1.50~1.75，年径流最大值与最小值之比可达70~80倍。如崔阳河临洺关站。另一种是有泉水补给的河流，径流年际变化很小，变差系数只有0.20~0.30。年径流最大与最小值之比一般仅3倍，如滏阳河东武仕及冶河地都等站。
海河各支流丰水年出现的年分有所不同。全流域同时出现洪水的机遇较小，一般南部几个支流为丰水年时，北部几个支流是平水年，相反，北部几个水系为丰水年时，南部几个支流都是平水年，例如1963年南系大水，而北系除北运河外，为平水年。
各支流枯水年出现的年份却比较一致。海河流域自民国6年（公元1917年）以来共发生变率小于0.4的特枯水年和变率为0.4~0.6的枯水年11年，其中民国9年、19年（公元1920年、1930年）全流域特枯，民国20年、25年（公元1931年、1936年）全流域枯水，1965年、1968年全流域偏枯，民国30年（公元1941年）南系特枯而北系枯水，民国34年（公元1945年）、1972年、民国16年（公元1927年）全流域枯水，而仅有1~2条河系偏估或特枯。1951年北系枯水，南系偏枯，而1~2条支流特枯。
径流年内分配
海河干支流径流年内分配主要受降水年内分配的制约，总的特点是径流年内分配较集中，全年水量的50~80%集中到7~10月（汛期）四个月内，但各河因径流补给形式，流域调蓄能力以及所处气候区的不同，各河径流年内集中程度有所不同。
发源于燕山南麓、太行山东麓的蓟运、大清、滏阳各河，流域调蓄能力较小。水量集中程度较大，汛期水量约占全年水量的70%~80%。
发源于黄土高原和盆地区，中游穿越山地，流域面积较大，又有相当比重的泉水补给的河流，如永定河、滹沱河、漳河、卫河等。汛期水量一般占全年水量的50%~60%。
平原地区及流经山前严重漏水区的河流，绝大部分属间歇性河流，汛期有水，非汛期干涸，全年水量往往是几次（甚至是一两场）暴雨的结果。
以泉水补给为主的某些河段，如桑干河马邑、绵河地都、滏阳河东武仕水库径流年内分配较均匀，汛期水量一般占全年水量的40%或更少。 海河干支流的含沙量在全国各大河中仅次于黄河，由于各支流流经地区自然地理条件不同，含沙量又有差异。
发源于山西高原的支流如永定河、滹沱河、漳河等、流域内黄土分布广泛，加上植被覆盖度小，水土流失严重，河流含沙量大。永定河是海河各支流中含沙量最大的河流，永定河官厅站多年平均含沙量为52.2公斤/立方米，上源桑干河石匣里站为25.0公斤/立方米，洋河响水堡站为21.0公斤/立方米，永定河上游侵蚀模数为1000~2000吨/平方公里·年。
滹沱河干支流多流经黄土高原和太行山区，含沙量仅次于永定河，小觉站多年平均含沙量13.9公斤/立方米，侵蚀模数900~1000吨/平方公里·年。
再次为南运河上源漳河，观台站多年平均含沙量9.07公斤/立方米，侵蚀模数700~800吨/平方公里·年。
发源于燕山、太行山的河流，流域内多石质山地，黄土性物质较少，水土流失较黄土高原轻，大清河支流拒马河紫荆关站多年平均含沙量2.92公斤/立方米。大清河新盖房站1.4公斤/立方米，潮白河苏庄站为4.14公斤/立方米，北运河屈家站为2.54公斤/立方米，在海河流域中含沙量都比较小。
海河各支流泥沙的年内分配具有高度的集中性，各河6~9月输沙量占年输沙量的94%以上，其它各月输沙量很小。泥沙的年际变化很大，各河最大年平均含沙量与最小年平均含沙量的比值一般都在10~20倍以上，最高的可达45倍以上。 海河干支流多年平均水温多在11~15℃。由于流域跨纬度较大，南北部河流水温有所不同。流经流域北部山区的潮白河、永定河上游为11~12℃，流径流域南部的南运河为14~15℃.全年以1月份水温最低，为0.1~2.5℃。潮白河、永定河为0.1~0.9%℃，南运河为2.0~2.5℃。7月份水温最高，为42~27℃，北部各河为24~26℃，南部各河为25~27℃，只有少数河流低于24℃。历年最高水温可达31~36℃，历年最低水温为0℃。
海河各支流冬季一般均结冰。平均初冰日期多在11月下旬至12月中旬，终冰日期为3月中、下旬，只有子牙河与南运河可提早至2月下旬。冰期三个月到三个半月。平均封冻日期多在12月中、下旬，解冻日期为3月中、上旬，平均封冻天数为50~80天。 2002年全流域废污水排放量为53．6亿吨，其中工业排污量占60%，城镇生活排污量占40%。对全流域7151公里河流进行的水质评价结果为：Ⅰ、Ⅱ类水质河长占21%，Ⅲ类水质河长占22%，Ⅳ、V类水质河长占10%，超Ⅴ类水质河长占47%。全流域受污染的河长（水质劣于Ⅲ类水）达4083公里，占评价河长的57%，水体污染严重。
