南山国家公园系长江流域沅江水系和资水水系、珠江流域西江水系源头及三大水系的分水岭，是重要的水源涵养地。区域内地表切割强烈，河川水系发育呈树枝状分布，水系发达。境内主要水系即巫水(沅江一级支流)、渠江(沅江二级支流)、夫夷水(资水一级支流)、浔江(西江二级支流)皆发源于南山国家公园境内。河流呈辐射状从南、西、东 3 个方向流往境外，分属长江与珠江两大水系。南山国家公园内主要有白云湖、南山天湖、茅坪水库、深冲河水库、三角坪水库等湖、库。其中白云湖为县城的饮用水源，总库容为3.6 亿立方米，控制流域面积 556 平方公里。溪河主要有巫水、界背水、边溪、玉女溪、假水河、长坪水、甘架水、长安水、石杓水、小阳溪、白泥溪、浆水、线水、昌鲁水、黄山水、蒋家水等。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，对南山国家公园内部分区域进行环境监测：原南山国家级风景名胜区内南山牧场水体水质总体符合Ⅰ类水标准，原湖南金童山国家级自然保护区内水质总体符合Ⅰ类水标准，原湖南两江峡谷国家森林公园内界背河、玉女溪、假水河水质均符合Ⅱ类水标准，原湖南白云湖国家湿地公园内的白云湖水体水质符合Ⅱ类水标准。