از نظر تقسیمات حوضه های آبریز کشور، حوضه های آبخیز ارس، سفید رود، قزل اوزن و دریاچه ارومیه پهنه استان را پوشش می‌دهند که بیشترین مساحت استان در محدوده حوضه آبریز دریاچه ارومیه قرار گرفته است. در حالت کلی، آذربایجان شرقی یک منطقه کوهستانی محسوب می‌شود که حدود ۴۰ درصد از سطح آن را کوهستان، ۲۸٫۲ درصد را تپه ماهورها و ۳۱٫۸ درصد را زمین‌های هموار (دشت ها و جلگه های میان‌کوهی) فرا گرفته است. رودخانه ارس از محدوده سه استان آذربایجان غربی، آذربایجان شرقی و اردبیل می‌گذرد که برای هر سه استان شاهرگ حیاتی محسوب می‌شود. این رود در استان آذربایجان شرقی به طول ۹۱۰ کیلومتر می باشد که ۴۷۵ کیلومتر آن خط مرزی ایران با کشورهای آذربایجان و ارمنستان را تشکیل می دهد. دریاچه ارومیه و حوضه آبریز آن که بیشترین سطح استان را تحت پوشش قرار می دهد از منابع طبیعی مشترک با استان آذربایجان غربی محسوب می‌شود. حوضه آبریز سفید رود قزل‌اوزن که پهنه جنوب شرقی استان را تحت پوشش قرار داده از اشتراکات طبیعی مابین استان‌های اردبیل و زنجان و آذربایجان شرقی می باشد.
از دیگر رودهای مهم این استان میتوان به تلخه رود (آجی چای) به طول ۲۶۸ کیلومتر، قره سو به طول ۲۵۵ کیلومتر، قرنقوچای به طول ۱۵۰ کیلومتر و زنوزچای به طول ۹۵ کیلومتر اشاره کرد.
