Lưu vực sông Cầu có dòng chính là sông Cầu với chiều dài 290 km bắt nguồn từ núi Văn Ôn (Vạn On) ở độ cao 1.170 m và đổ vào sông Thái Bình ở Phả Lại. Trong lưu vực sông Cầu có tới 26 phụ lưu cấp một với tổng chiều dài 670 km và 41 phụ lưu cấp hai với tổng chiều dài 645 km và hàng trăm km sông cấp ba, bốn và các sông suối ngắn dưới 10 km. Lưu vực sông Cầu nằm trong vùng mưa lớn (1.500-2.700 mm/năm) của các tỉnh Bắc Kạn và Thái Nguyên. Tổng lưu lượng nước hàng năm đạt đến 4,2 tỷ m³. Sông Cầu được điều tiết bằng hồ Núi Cốc trên sông Công (một chi lưu của nó) với dung tích hàng trăm triệu m³.

Chế độ thuỷ văn của các sông trong lưu vực sông Cầu được chia thành 2 mùa:

• Mùa lũ bắt đầu từ tháng 6 đến tháng 9 và chiếm 70-80% tổng lưu lượng dòng chảy trong năm.
• Mùa khô từ tháng 10 đến tháng 5 năm sau, chỉ chiếm 20-30% tổng lưu lượng dòng chảy của năm.

Lưu lượng dòng chảy trung bình các tháng trong năm chênh lệch nhau tới 10 lần, mực nước cao và thấp nhất chênh nhau khá lớn, có thể tới 5–6 m.