Tài nguyên nước của Thanh Hoá khá phong phú. Tổng lượng nước mưa rơi xuống lãnh thổ hàng năm là 19 tỷ mét khối, lượng bốc hơi trung bình là 9 tỷ mét khối, còn lại 9,7 tỷ mét khối nước sinh ra dòng chảy mặt và 0,3 tỷ mét khối sinh ra dòng chảy ngầm. Hàng năm hệ thống sông đổ ra biển 20 tỷ mét khối nước, trong đó có 9,7 tỷ mét khối nước sinh ra trên lãnh thổ Thanh Hoá còn lại là nước sinh ra ở Tây Bắc và Lào.
Modul dòng chảy mặt trung bình 20,4 - 38 lít/s/km2. Vùng đồng bằng biến thiên từ 20 - 30 lít/s/km2, ở miền đồi núi trên 30 lít/s/km2, lớn nhất là tại lưu vực sông Âm: 38 lít/s/km2. Chất lượng nước mặt khá tốt, trừ vùng hạ lưu vào mùa kiệt do chịu ảnh hưởng của thuỷ triều.
Modul dòng chảy ngầm biến thiên từ 2 lít/s/km2 đến 20 lít/s/km2. Khu vực trung lưu sông Mã có modul dòng ngầm trên 20 lít/s/km2. Nhìn chung, chất lượng nước ngầm tốt, trừ một số khu vực ngoại vi thành phố Thanh Hoá, thị xã Sầm Sơn, nước ở tầng mặt đã bị ô nhiễm. Các khu vực cửa sông, ven biển nước ngầm bị nhiễm mặn.
- Nước ngầm: Ở Thanh Hoá, nước ngầm khá phong phú cả về trữ lượng và chủng loại bởi chúng xuất hiện ở đầy đủ các loại đất đá: trầm tích, biến chất, macma và phun trào. Thanh Hoá có các loại hình nước dưới đất như sau:
* Nước lỗ hổng: Tồn tại trong các thành vách núi, được tạo bởi nguồn gốc trầm tích biển, sông biển tuổi holoxen (tầng QIV), phân bố ở các địa hình đồng bằng bằng phẳng, độ cao tuyệt đối từ 7 đến 15 mét, nằm ở độ sâu từ 0 đến 35 mét. Ngoài ra, còn có nước lỗ hổng trong các thành tạo trầm tích có nguồn gốc sông lũ tuổi pleixtoxen (tầng QI-III), tầng này nằm ở dưới hoặc chỉ lộ ra ở một số vùng chân núi. Cả hai tầng chứa nước này đều có khả năng chứa nước kém, với tỷ lưu lượng từ 0,2 đến 11 lít/s.m, có quan hệ thuỷ lực với nước mặt. Độ tổng khoáng hoá dao động từ 0,1-5g/lít, nhiều nơi, tầng nước này bị nhiễm mặn. Vì vậy, khả năng khai thác chỉ đáp ứng các nhu cầu nhỏ trong sinh hoạt và sản xuất.
* Nước khe nứt: Tồn tại trong các đá cứng nứt nẻ có thành phần khác nhau, phân bố ở các khu vực đồi núi. Nước có chất lượng tốt với độ tổng khoáng hoá < 1mg/lít, song phân bố rất phức tạp phụ thuộc vào cấu trúc địa chất của từng vùng. Hiện nay, việc khảo sát thăm dò các khu vực này còn rất hạn chế.