Diện tích lưu vực 3.214 km2, độ cao trung bình 360 m, độ dốc trung bình 28,2%, mật độ sông suối 0,87 km/km2. Tổng lượng nước trung bình nhiều năm 6,15 km3 tương ứng với lưu lượng trung bình năm 195 m3/s và moduyn dòng chảy năm 47 l/s. km2. Mùa lũ ngắn từ tháng 9 - 11. Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm khoảng 56 - 57% lượng dòng chảy năm.

Ngàn Sâu có các phụ lưu là sông Tiêm, sông Ngàn Trươi. Toàn bộ lưu vực sông Ngàn Sâu rộng 2061 km².