Территория национального парка характеризуется хорошо развитой гидрографической сетью: густота речной сети составляет 0.59 км/кв. км, озерность - 10%, заболоченность – 4,3%. В пределах парка по Кирилловской гряде проходит часть глобального водораздела, отделяющего бассейны внутреннего стока (Каспийского моря) и Северного Ледовитого океана (Белого моря). Главный водораздел поднимается с Вологодско-Грязовецкой возвышенности на Кирилловскую гряду и затем уходит на север по Кемской равнине. На своем пути водораздельная линия несколько раз огибает котловины озер, расположенных в осевой части Кирилловской холмисто-моренной гряды (Иткольское, Палшемское, Долгое).
Сток с территории национального парка распределяется между тремя региональными бассейнами (Белого озера – реки Шексны, озер Кубенского и Воже), внутри которых плохо выражены локальные водоразделы. Бассейн Белого озера – реки Шексны охватывает западную часть парка и включает серию левых притоков Шексны, самые крупные из которых - реки Пидьма, Юмпаш и Бородава в северной части парка и Уломка, Шоша и Славянка в южной. К бассейну озера Воже, занимающего северо-восточную часть парка, относятся реки Перешна и Ухтомица. Бассейн Кубенского озера охватывает юго-восточную часть Кирилловской гряды, где протекают Иткла и Порозовица. На вершинной поверхности моренных гряд в национальном парке нередко встречаются бессточные бассейны (в Кирилловском ландшафтном районе они занимают до 10% площади), представленные небольшими переувлажненными котловинами и замкнутыми понижениями. Бассейны эти имеют сравнительно небольшие размеры (до 0.8 км2), плоские водоразделы, невыраженные склоны и небольшие перепады высот. Самые крупные из них относятся к бассейнам озер Святого, Пидемского, Фефеловского и Бабьего.
Озера
Наибольшее количество озер находится на Белозерской и Кирилловской грядах и на Пришекснинской низине. По условиям водообмена выделены четыре гидрологических типа озер: бессточные, сточные, проточные, пойменные (озера-старицы). По многим мелким водотокам, впадающим в озера или вытекающим из них, сток наблюдается только в весеннее половодье, летом и осенью он возможен лишь после длительных дождей. В связи с этим озера в разные периоды года могут быть отнесены к разным гидрологическим типам. Кроме того, встречается немало озер, расположенных цепочками по межгрядовым ложбинам. Переполняясь и разливаясь весной, они становятся сточными или проточными, а в остальные времена года связи с соседними территориями не имеют. Такие озера являются смешанными по типу водообмена.
Происхождение озер, как правило, ледниковое. Чаще всего это остаточные озера, образовавшиеся на участках гляциодепрессий, занятых некогда более обширными озерно-ледниковыми бассейнами (Иткольское, Палшемское, Долгое озера), или озера, образовавшиеся в понижениях моренно-холмистого рельефа, углубленных при ледниковых подвижках (Юмпаш, Паньковское). Реже встречаются озера эрозионного происхождения (старицы в долинах Пидьмы и Итклы) и карстовые (озера Боровое, Орлово). Максимальная озерность в Кирилловском ландшафтном районе свойственна бассейнам Белого озера (10.2%) и озера Воже (7.2%). Значительная часть озер мелководна и подвергается интенсивному зарастанию. Наибольшую глубину имеют озера Содошное (40 метров), Ферапонтовское (27 метров) и Сиверское (26 метров).
Озера холмисто-моренных ландшафтов характеризуются средними показателями водообмена: удельный водосбор изменяется от 10 до 100 км2, показатель условного водообмена - от 1.0 до 5.4. Высокой водообменностью отличаются проточные озера Вожезерского ландшафтного района. По характеру летнего температурного режима озера национального парка делятся на три группы. Первая характеризуется отчетливо выраженной температурной стратификацией и температурой придонного слоя ниже +10оС (наиболее глубокие озера моренных гряд). Вторая группа озер имеет слабо выраженную, неустойчивую температурную стратификацию и более высокую температуру придонных слоев (10 -15оС). Третья группа - озера, в которых летняя температурная стратификация не наблюдается, поскольку ветровое перемешивание охватывает всю толщу воды и слой температурного скачка в ней отсутствует (озера Вожезерского ландшафтного района). Замерзают малые озера в первой декаде ноября, вскрытие ото льда приходится на первую декаду мая.
Минерализация вод средняя или чуть выше средней (от 101 до 150 мг/л). Озера моренных гряд отличает резко выраженная карбонатность с повышенным содержанием ионов кальция, магния и щелочных металлов. Большинство озер имеет нейтральную, или близкую к нейтральной реакцию воды (рН - 7.0).
Реки
Наибольшая густота речной сети наблюдается на Белозерской и Кирилловской моренных грядах; окружающие их озерно-ледниковые равнины имеют меньшую густоту речной сети, но повышенную заболоченность. Реки национального парка сравнительно молодые и еще не успели выработать профили. Верховья рек характеризуются неглубоко врезанными долинами с пологими склонами, почти незаметно переходящими в равнинные водоразделы, малыми падениями и медленным течением воды. Склоны долин обычно террасированы: на малых реках наблюдаются 1 - 2, на больших - 3 - 4 террасы. Большинство рек берет начало из болот и заболоченных лесов, а часть рек - из озер. Эрозионная деятельность рек ограничивается главным образом изменениями планового рисунка русел и деформациями пойм.
Все реки имеют преимущественно снеговой тип питания, основную роль в формировании стока играют зимние и весенние осадки, которые определяют не только объем весеннего стока (50 - 75% годового), но и водность года в целом. Доля дождевого питания относительно невелика (20 - 35%). Коэффициент стока изменяется от 0.50 до 0.55. Величины стока и расходов могут существенно меняться в зависимости от метеорологических условий каждого года.
По характеру водного режима реки принадлежат Восточно-Европейскому типу с высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженями и сравнительно высокой водностью осенью, обусловленной обложными дождями. Гидрохимически речные воды относятся к кальциевой группе гидрокарбонатного класса. Степень минерализации - менее 500 мг/л, мутность - 50 -70 г/м3. Самая крупная река национального парка - Шексна, после реконструкции Волго-Балтийского водного пути превратившаяся в водохранилище. Основную массу воды река получает из Белого озера, где берет начало. С территории национального парка Шексну подпитывает сток из Сиверского озера по Топорнинскому каналу Северо-Двинской системы и ряда средних и мелких рек и ручьев, самыми крупными из которых являются Пидьма и Славянка. Длина реки 136 километров, площадь водосборного бассейна (с озером Белым) - 19 400 км2. Река на большей части национального парка протекает по озерно-ледниковой равнине, лишь на участке Волохово - Горицы пересекая Белозерскую конечно-моренную гряду. Элементы рельефа исходной речной долины частично утрачены из-за подъема уровня воды.
В районе затопленных Ниловиц урез воды изменился от 106,4 до 113,1 метра, тем не менее и сейчас в долине Шексны насчитывается четыре террасы - пойменная и три надпойменных (с относительными высотами в 10 - 15, 20 - 25 и 35 - 40 метров). Пойменная терраса фрагментирована и очень узка - до 300 метров при ширине долины реки от 1,5 до 4,0 километров. Уклон реки равен 0,017%, средний коэффициент извилистости русла – 1,2.