Hệ thống sông ngòi chảy qua huyện gồm [[sông Tam Kỳ]], [[trường Giang|sông Trường Giang]], [[sông Ba Túc]], [[sông An Tân]], [[sông Trầu]]. Các con sông này đều bắt nguồn từ phía tây, tây bắc chảy về phía đông đổ ra biển qua [[cửa An Hòa]] và [[cửa Lở]]. Các sông đều có lưu vực nhỏ, từ 50 đến 100 km², độ dốc lớn, chiều dài từ 20 đến 40 km, lưu lượng nước thay đổi theo mùa. Lượng nước các sông dồi dào vào mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12 và khô hạn trong mùa khô từ tháng 2 đến tháng 8. Một số con sông được ngăn lại ở thượng nguồn làm hồ chứa nước như: hồ Phú Ninh trên sông Tam Kỳ và hồ Thái Xuân trên sông Trầu, trong đó hồ Phú Ninh là công trình thủy lợi lớn của Việt Nam, có nhiệm vụ tưới cho 20,000 ha lúa các huyện duyên hải phía nam sông Thu Bồn cũng như cấp nước sinh hoạt cho Tam Kỳ và các vùng lân cận. Hạ lưu sông có hệ sinh thái đất ngập nước tại các xã Tam Quang, Tam Anh Nam, Tam Anh Bắc, Tam Hòa, Tam Giang, Tam Hải, Tam Tiến.
