境内河流属黄河水系。境北、西及东南部为无定河流域，面积5904平方公里，占全市面积的86.4％。东北小部分（麻黄梁、大河塌、安崖和刘千河乡局部）为秃尾河、佳芦河流域，面积分别为720和429平方公里，分别占全市面积的9.1％、4.5％。境内河道纵横，有大小河流837条，其中常年流水河570条，季节性流水支沟261条，流域面积10平方公里以上的沟道53条，100平方公里以上的河流23条。流域地形复杂，沙漠滩地区河流水量较大，流量稳定，河道比降缓，洪水小；黄土丘陵沟壑区沟谷河道狭窄，河床比降大，河流水量随季节变化，多呈间歇性溪流，雨季流量大，且含泥沙量高，河流洪、枯流量差值极大，如峁沟河，历史最大洪流量达1000立方米/秒，而枯水季节流量为0.3立方米/秒。最大的河是过境无定河，其次是境内的榆溪河和过境的秃尾河，其余河流多为这3条较大河流的小支流、小溪沟。
无定河 古称奢延水、圁水、朔方水，远古时河水清澈。唐代，因河水含泥沙量大，俗称愰忽都河、黄糊涂河，又因溃沙流急，河道多变，得名无定河。源于定边东南白于山的长春梁东麓，全长491公里。该河流经靖边、内蒙乌审旗后，在本市红石桥乡和横山县经过，又在王沙坬入本境，与榆溪河汇流。以2‰的比降出王沙坬南流，经本市鱼河、董家湾、上盐湾、镇川4个乡（镇），在镇川镇红柳滩村南出境，境内东西两段流经本市总长75公里。境内汇入无定河，有较大支流6条，流域面积5900平方公里，占全市总面积的86.4％。鱼河堡至镇川段河川谷宽300～2500米，曲度半径一般200～400米，常年平均流量18.7立方米/秒，常年平均输泥沙量4.07万吨。
境内无定河较大支流：
海流兔河 晋代称黑水。源于内蒙乌审旗陶利乡特耐乌素，由北向东南流经内蒙乌审旗巴彦柴达木乡（海流兔庙）、本市补浪河、红石桥，在红石桥乡柳卜台入无定河，全长85公里，境内长65公里，流域面积1850平方公里，河谷宽50～100米，河床比降3.3‰，最大落差5米，年平均流量3.4立方米/秒，平均含沙量5.6公斤/m3。较大支流有补浪河。
硬地梁河 源于巴拉素镇赵家峁村，由北向东南，在红石桥乡油房湾村南入无定河，长38公里，流域面积400平方公里，常年流量1.2立方米/秒。
榆溪河 古称帝源水，宋代称明堂川，明代称为榆溪。源于小壕兔乡刀兔海子西的水掌泉，由北向东南，流经小壕兔、孟家湾、牛家梁、榆阳、刘官寨、鱼河6乡（镇），在鱼河镇王沙坬汇入无定河，全长98公里，为境内最长河流。流域面积4000平方公里，全程落差285米，平均比降3.07‰。河源至红石峡河床宽500～1000米，红石峡以南河谷宽50～2000米，红石峡至米家园则段有5处跌水，落差1.5～7米不等，水力蕴藏量较丰富。常年流量11.75立方米/秒（榆林站），流量较稳定，下游平均含泥沙量11.7公斤/m3。
峁沟河 源于刘千河乡新寨村南沟，由北向南流经余兴庄、董家湾两乡地，至东岔与桐条沟河（刘山沟河）汇流，在鱼河峁西注入无定河，全长40公里。年平均流量0.55立方米/秒（西岔），流域总面积315平方公里。它的最大支流桐条沟河，源于桐条沟乡李府沟村北，长19公里，常年河流，水量较小，流速缓慢。
小川沟河 明代称背干川。源于余兴庄乡宣梁村南山下，向南流经清泉、米脂县李家站、上盐湾、镇川4乡（镇），在镇川镇葛村西注入无定河，全长40.7公里，常年流量0.45立方米/秒，流域面积286平方公里。
金鸡河 源于米脂县李家站乡与佳县交界处的张朴墕以南的山沟里，由东北向西南，经米脂沙家店乡、镇川镇境南，在高梁村西注入无定河，全长17公里，境内长5公里，河谷宽50～500米，常年流量0.35立方米/秒（柳湾）。
榆溪河较大支流有：
五道河 是榆溪河上源东支流，源出小壕乡刀兔海子西的河掌泉，向南流经孟家湾乡地，在牛家梁乡西北端王化圪堵村东与圪求河相汇为榆溪河，长32公里，常年流量2.09立方米/秒，流域面积524平方公里。其大的支流四道河，源于孟家湾乡东板城滩，在大海则湾南注入五道河，长6公里，常年流量0.3立方米/秒，流域面积205平方公里。
圪求河 是榆溪河上源中支流，源出孟家湾乡圪求河村哈拉界泉，向东南流经孟家湾乡地，在牛家梁乡西北端王化圪堵村东与五道河相汇为榆溪河，长20.5公里，常年流量2.2立方米/秒，流域面积128.6平方公里。
白河 是榆溪河上源西支流，源于内蒙乌审旗乌拉特老亥庙，向东南流入本境河口水库，又流经岔河则乡地，在牛家梁乡庙咀村南入榆溪河，全长54公里，境内长38公里，常年流量1.3立方米/秒，流域面积809平方公里。该河在上游内蒙地属季节性河流，入本境成常年性河流。
三道河 源于孟家湾乡东大免兔村北，向西南穿孟家湾乡地，在牛家梁乡王化圪堵村南入榆溪河，长15公里，常年流量0.2立方米/秒，流域面积130平方公里。
二道河 源于金鸡滩乡马家伙场，向西南穿金鸡滩乡地，在牛家梁乡李家伙场村西入榆溪河，全长18公里，常年流量0.13立方米/秒，流域面积15平方公里。
头道河 源于麻黄梁乡银山界村北，由东北向西南流经麻黄梁、牛家梁乡地，在头道河则村西入榆溪河，全长30公里，常年流量0.3立方米/秒，流域面262平方公里。上游银山界至石峁水库又称柳巷河，长18公里。有小支流七山沟河流，长4公里。
芹河 源于芹河乡水掌村西，向东穿芹河乡地，在榆阳乡王家楼村东入榆溪河，长16.5公里，常年流量1.33立方米/秒，流域面积182.5平方公里。
沙河 源于榆阳乡纪家峁村西，向东在沙河口村东入榆溪河，长8公里，常年流量0.13立方米/秒，流域面积133平方公里。
榆阳河 源于青云乡钟家沟村水掌泉，向西南在榆林城南入榆溪河，长5.6公里，常年流量0.35立方米/秒，流域面积4.5公里。
青云沟河 源于青云乡色草湾村大碾沟泉，向西南穿青云乡地，在刘官寨乡三岔湾与刘千河合流后汇入榆溪河，长21公里，常年流量0.54立方米/秒，流域面积111平方公里。有小支流杜家沟河、石沟河等。
刘千河 源于麻黄乡旧堡村东山下，向西南穿刘千河、古塔乡地，在刘官寨乡三岔湾与青云沟河汇流入榆溪河，长28公里，常年流量0.3立方米/秒，流域面积137平方公里。有较大支流芦沟河、古塔沟河等。
花园沟河 源于古塔乡西阳坬村，向西南在归德堡村北注入榆溪河，长8.8公里，常年流量0.08立方米/秒，流域面积65平方公里。
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