Hai hệ thống sông chính tiêu thoát nước và xác định hai phần của Thung lũng Trung tâm. Sông Sacramento, cùng với các chi lưu sông Feather và sông American, chảy theo hướng nam qua khoảng 447 dặm (719 km) của thung lũng Sacramento.[8] Tại thung lũng San Joaquin, sông San Joaquin dài khoảng 365 dặm (587 km), nhận nước từ các chi lưu như sông Merced, sông Tuolumne, sông Stanislaus và sông Mokelumne.[9]

Ở phần phía nam của thung lũng San Joaquin, quạt bồi tích của sông Kings và một sông khác bắt nguồn từ các dòng suối ở dãy núi Bờ biển đã tạo thành một sự phân chia và kết quả là bồn địa Tulare khô hạn của Trung lũng Trung tâm, chảy vào nó là bốn con sông từ Sierra Nevada bao gồm Kings. Bồn địa này, thường xuyên nội lưu, trước đây nó bị bao phủ đầy nước khi tuyết tan nhiều và đổ ra sông San Joaquin. Cái được gọi là hồ Tulare ngày nay thường xuyên khô hạn vì nước của các con sông cấp nước cho nó đã được sử dụng cho mục đích nông nghiệp.[10]

Các con sông ở Thung lũng Trung tâm tụ hội về đồng bằng châu thổ Sacramento-San Joaquin, một mạng lưới phức tạp với các kênh đào đồng lầy, các phân lưu và vũng nước, chúng uống khúc quanh các đảo chủ yếu được sử dụng cho mục đích nông nghiệp. Tại đây, nước ngọt của các sông hòa với dòng nước thủy triều, và cuối cùng đổ ra Thái Bình Dương sau khi đi qua vịnh Suisun, vịnh San Pablo, phần thượng của vịnh San Francisco và cuối cùng là Golden Gate. Nhiều hòn đảo nay nằm dưới mực nước biển do sản xuất nông nghiệp thâm canh, và có nguy cơ bị lũ lụt, mà sẽ khiến nước mặn xâm nhập vào trong đồng bằng châu thổ, đặc biệt là khi có quá ít nước ngọt chảy từ Thung lũng.[11]

Sông Sacramento có lưu lượng chiếm phần lớn với 24.000 foot khối trên giây (680 m3/s), trong khi lưu lượng trung bình tương đối của sông San Joaquin chỉ là 4.500 foot khối trên giây (130 m3/s). Trên 25 triệu người sống cả ở trong thung lũng và các khu vực khác trong bang phải dựa vào nguồn nước từ các sông này.[12]

Kỹ thuật

Các dòng chảy từ Sierra Nevada tạo nên các con sông chảy vào vịnh San Francisco, chúng cung cấp một lượng tài nguyên nước to lớn cho California. Sông Sacramento là sông lớn thứ hai đổ ra Thái Bình Dương từ Hoa Kỳ lục địa, chỉ xếp sau sông Columbia và lớn hơn sông Colorado.[13] Với khu vực đất đai phì nhiêu và rộng rãi ở đáy, Thung lũng Trung tâm là một nơi lý tưởng để phát triển nông nghiệp.[14]

Ngày nay, Thung lũng Trung tâm là một trong các khu vực nông nghiệp có năng xuất cao nhất tại Hoa Kỳ. Người ta đã kiểm soát để ngăn chặn các con sông tràn bờ vào mùa xuân và mùa hè trong khi khô hạn trong mùa thu và mùa đông.[15] Do vậy, nhiều đập lớn, bao gồm đập Shasta, đập Oroville, đập Folsom, đập New Melones, đập Don Pedro, đập Friant, đập Pine Flat và đập Isabella, đã được xây dựng trên các con sông chảy vào Thung lũng Trung tâm, nhiều đập thuộc về Dự án Thung lũng Trung tâm.[15] Các đập này đã có một tác động sâu sắc đến tình trạng tự nhiên và sinh thái của các con sông tại Thung lũng Trung tâm, bao gồm cả việc mất đi cá hồi Chinook.[16]

Sự phát triển và tăng trưởng nhanh chóng của hai khu vực đô thị chính tại California là khu vực vịnh San Francisco và Los Angeles/Inland Empire/San Diego, cũng đồng nghĩa rằng nguồn nước địa phương ở đó không đủ để cung cấp cho dân cư. Thung lũng Trung tâm được nhìn nhận là một nguồn nước, dẫn đến việc thiết lập Dự án nước tiểu bang California, trong đó sẽ vận chuyển nước từ Thung lũng Trung tâm đến Miền Nam California.[17]

Dòng chảy từ các sông Sacramento và San Joaquin Rivers bị chặn lại ở vùng đồng bằng châu thổ thông qua một loạt máy bơm lớn và kênh mương, thông qua cống dẫn nước California, nước sẽ được dẫn về phía nam dọc theo toàn bộ chiều dài của thung lũng San Joaquin.[18] Dòng chảy của sông Sacramento được bổ sung bằng một đường hầm từ sông Trinity (một chi lưu của sông Klamath) gần Redding.[19] Các thành phố trong khu vực vịnh San Francisco cũng cần đến một lượng lớn nước, người ta đã xây dựng các cống dẫn nước từ sông Mokelumne và sông Tuolumne, các sông này chảy từ đông sang tây ở phần giữa của Thung lũng Trung tâm.[20][21]

Lũ lụt

Hầu hết các vùng đất thấp của Thung lũng Trung tâm đều có nguy cơ phải chịu lũ lụt, đặc biệt là đáy của các hồ cũ đã khô cạn là hồ Tulare, hồ Buena Vista, và Kern. Các sông Kings, Kaweah, Tule và Kern ban đầu chảy vào các hồ theo mùa này, khi đó các khu vực ngập nước sẽ mở rộng ra phần lớn phía nam thung lũng San Joaquin vào mùa xuân. Sau này con người xây dựng nên các trang trại, đô thị và cơ sở hạ tầng tại đáy các hồ này trong khi ngăn chặn chúng khỏi bị lụt bằng hệ thống đê.

Các dự án công trình công cộng lớn đã được khởi công vào thập niên 1930, trong đó tìm cách để giảm lượng tuyết tan làm ngập lụt bằng việc xây dựng các con đập lớn. Năm 2003, Sacramento được xác định là được bảo vệ chống lại ở mức thấp nhất và gần như có nguy cơ cao nhất trước lũ lụt. Quốc hội sau đó đã cấp một khoản vay trị giá 220 triệu Đô la Mỹ cho quận Sacramento để nâng cấp cơ sở hạ tầng chống lụt.[22] Các quận khác phải thường xuyên đối mặt với lụt lội trong thung lũng là Yuba, Stanislaus, và San Joaquin.