Наурзумский заповедник располагается на широтном водоразделе между бассейнами рек Тобол на севере и Тургай на юге. Речная сеть представлена здесь лишь временными водотоками, имеющими сезонный - весенний сток и, преимущественно, широтное направление – со склонов плато в Тургайскую ложбину. Наиболее крупные реки восточного направления: Дана-Бике и Наурзум-карасу, протяженностью 58 и 85 км, имеют выраженные бассейны и выработанные в верхнем течении долины. Во время весеннего половодья русла этих рек наполняются водой, которая, достигая озёр, широко разливается в предъустьевой части, образуя мелководные лиманы. В нижнем течении в их руслах сохраняются постоянные плесы до 1 км длиной и до 20-25 м шириной. Ещё одна река-водоток Улькен-караелга течет с юго-запада. В среднем и нижнем течении все они характеризуются слабым уклоном и сравнительно небольшим врезом русел, а вблизи озерных котловин совершенно выполаживаются в обширных депрессиях.
Более крутые склоны восточного плато дренированы значительно сильнее. Через каждые 10-12 км их прорезают короткие в 10-15 км саи рек Моин, Аккансай, Куркуутал и других. В верховьях и при выходе в ложбину они представляют собой врезанные русла с цепочкой бочагов или небольших плесов. Предустьевые участки, вблизи озерных котловин, врезаны очень слабо, иногда обозначены лишь полосой кустарников или совершенно выполаживаются, и во время паводка вода широким фронтом разливается по пониженным участкам степи, так называемым бидаякам.
В Тургайской ложбине разбросано большое количество озёр, имеющих характер плоских блюдцеобразных котловин с глубинами, редко превышающими 2,5 - 3 м. Все они бессточные, сорово-дефляционного происхождения с материково-озерным режимом. Крупнейшие озера заповедника – система пресных озёр Аксуат и пресных и соленых озёр системы Сарымоин – в годы наполнения достигают площади зеркала 220 кв. км и 126 кв. км соответственно. Как и большинство бессточных озёр аридных и субаридных регионов они имеют многолетние циклы обводнения, которые следуют климатическим циклам увлажненности. Периоды высокого и среднего наполнения сменяются снижением уровня воды, иногда до полного обсыхания водоемов, и через некоторое время новым наполнением. Такой природный механизм останавливает и поворачивает вспять процессы засоления озерных котловин, заиления или зарастания жесткой надводной растительностью.
Основными источниками водоснабжения территории являются атмосферные осадки и грунтовые воды
