主要由黄河干流及其支流组成。湟水、庄浪河、宛川河为黄河干流一级支流，大通河是湟水的一级支流，属黄河二级支流。黄河从西固区岔路村入境兰州，自西向东穿过兰州市中心，至榆中县青城乡大岘沟出境，兰州段河长152千米，多年平均径流量305亿立方米。

洮河是黄河上游右岸的一条大支流，发源于青海省河南蒙古族自治县西倾山东麓，于甘肃省永靖县汇入黄河刘家峡水库区。

湟水干流发源于青海省大通山南麓，在兰州市红古区进入甘肃省，流经兰州市的红古区至达川汇入黄河。，

贯穿市域的黄河及其支流湟水，大通河的入流量达337亿立方米，水量稳定，各季不封冻，含沙量也较小。

以兰州为中心的黄河上游干流段可建25座大中型水电站，总装机容量可达1500万千瓦，刘家峡、八盘峡、盐锅峡、大峡水电站与邻近地区的其它水电站构成中国最大的水力发电中心之一。