Западная Сибирь богата подземными и поверхностными водами; на севере ее побережье омывается водами Карского моря.
Вся территория страны расположена в пределах большого Западно-Сибирского артезианского бассейна, в котором гидрогеологами выделяется несколько бассейнов второго порядка: Тобольский, Иртышский, Кулундинско-Барнаульский, Чулымский, Обский и др. Качество подземных вод этих горизонтов весьма различно. В большинстве случаев артезианские воды глубоких горизонтов минерализованы сильнее, чем залегающие ближе к поверхности.
В некоторых водоносных горизонтах Обского и Иртышского артезианских бассейнов на глубине 1000-3000 м встречаются горячие соленые воды, чаще всего хлоридного кальциево-натриевого состава. Их температура от 40 до 120°, суточный дебит скважин достигает 1-1,5 тыс. м3, а общие запасы - 65 000 км3; такие напорные воды могут быть использованы для отопления городов, парников и теплиц.
Подземные воды засушливых степных и лесостепных районов Западной Сибири имеют большое значение для водоснабжения.
Поверхность Западно-Сибирской равнины дренируется многими тысячами рек, общая длина которых превышает 250 тыс. км. Эти реки выносят в Карское море ежегодно около 1200 км3 воды — в 5 раз больше, чем Волга. Густота речной сети не очень велика и меняется в разных местах в зависимости от рельефа и климатических особенностей: в бассейне Тавды она достигает 350 км, а в Барабинской лесостепи - всего 29 км на 1000 км2. Некоторые южные районы страны общей площадью более 445 тыс. км2 относятся к территориям замкнутого стока и отличаются обилием бессточных озер.
Основные источники питания большинства рек — талые снеговые воды и летне-осенние дожди. В соответствии с характером источников питания сток по сезонам неравномерен: примерно 70-80% его годовой суммы приходится на весну и лето. Особенно много воды стекает в период весеннего половодья, когда уровень крупных рек поднимается на 7-12 м (в низовьях Енисея даже до 15-18 м) . В течение длительного времени (на юге - пяти, и на севере — восьми месяцев) западносибирские реки скованы льдом. Поэтому на зимние месяцы приходится не более 10% годового стока.
Для рек Западной Сибири, в том числе самых крупных — Оби, Иртыша и Енисея, характерны незначительные уклоны и малая скорость течения. Так, например, падение русла Оби на участке от Новосибирска до устья на протяжении 3000 км равно всего 90 м, а скорость ее течения не превышает 0,5 м/сек.
Важнейшая водная артерия Западной Сибири — река Обь со своим крупным левым притоком Иртышом. Обь принадлежит к числу величайших рек земного шара. Площадь ее бассейна составляет почти 3 млн. км2, а длина — 3676 км. Бассейн Оби располагается в пределах нескольких географических зон; в каждой из них характер и густота речной сети различны. Так, на юге, в лесостепной зоне, Обь принимает сравнительно немного притоков, но в полосе тайги их количество заметно увеличивается.
Шесть рек бассейна Оби (Иртыш, Чулым, Ишим, Тобол, Кеть и Конда) имеют длину более 1000 км; протяженность даже некоторых притоков второго порядка иногда превышает 500 км.
На Западно-Сибирской равнине располагаются около одного миллиона озер, общая площадь которых составляет более 100 тыс. км2. По происхождению котловин они разделяются на несколько групп: занимающие первичные неровности равнинного рельефа; термокарстовые; моренно-ледниковые; озера речных долин, которые в свою очередь делятся на пойменные и старичные. Своеобразные озера - «туманы» — встречаются в приуральской части равнины.