Поверхностные воды занимают около 3% общей площади национального парка и представлены реками, небольшими озерами и болотами.
По территории парка протекает около 90 рек, речушек и ручьев длиной не менее 1 км, их общая протяженность в его границах – свыше 530 км. Все водотоки относятся к бассейну Каспийского моря (р. Волги). Главные реки – Угра и Жиздра – левые притоки р. Оки в ее верхней части. Наиболее крупными притоками Угры в парке являются рр. Воря, Ресса, Теча, Изверь и Шаня, а р. Жиздры – Вытебеть и Серена.
Самая большая река – Угра, площадь ее бассейна 15700 км2. Длина реки 399 км, истоки находятся в Смоленской области. Протяженность Угры в пределах Калужской области – 162 км, из них в границах парка – 152 км. Долина реки пойменная, с шириной поймы до 1-2 км; поперечник долины в нижнем течении достигает 3,5 км; ширина русла в нижнем течении 70-80 м. Глубины в межень на перекатах равны 0,4-0,6 м, на плесах – до 4 м. Средняя скорость течения воды – 0,4-0,6 м/с.
Бассейн р. Жиздры (площадь 9170 км2) расположен полностью на территории Калужской области. Длина реки 233 км, в границах парка – 92 км. Долина реки пойменная, от 0,5 до 5 км в поперечнике. Ширина поймы в верховьях 400-500 м, в среднем и нижнем течении – до 1-3 км. Обычная ширина русла в средней части 20-40 м, а в низовьях – 50-60 м. Преобладающая глубина реки 0,7-1,0 м. Средняя скорость течения – 0,3 м/с.
Питание рек Угры и Жиздры смешанное: доля стока талых вод в среднем составляет около 60 %, более 30 % годового стока приходится на грунтовые воды и только около 5 % – на сток дождевых вод. Уровенный режим рек характеризуется четко выраженным высоким весенним половодьем, низкой летне-осенней меженью, прерываемой дождевыми паводками, и устойчивой продолжительной низкой зимней меженью. Весеннее половодье начинается в конце марта и заканчивается в первой декаде мая. В период половодья общий подъем воды над зимней меженью в среднем и нижнем течении Угры в многоводные годы составляет 10-11 м; в нижнем течении Жиздры – 6-7 м. Первые ледовые образования обычно появляются в середине ноября, в конце ноября устанавливается ледостав. Вскрытие рек (ледоход) происходит в первой пятидневке апреля, а в конце первой декады апреля реки полностью очищаются ото льда.
В настоящее время отмечаются существенные изменения в гидрологическом режиме Угры и Жиздры, обусловленные комплексом природных и антропогенных факторов, среди которых весьма важным представляется глобальное потепление климата.
Озер на территории национального парка – около 150. По происхождению озерных котловин они относятся преимущественно к пойменным и представляют собой фрагменты бывших русел рр. Оки, Угры, Жиздры. Озера-старицы возникли в процессе меандрирования рек по их поймам. Этим объясняется вытянутая, извилистая и подковообразная форма озер, небольшие размеры, а также обычное цепочечное расположение. Расстояние между рекой и водоемами, как правило, составляет несколько сот метров, иногда – до 2 км. Питание пойменных озер смешанное. В формировании их водной массы принимают участие речные, талые воды и атмосферные осадки; у сравнительно небольшой части озер отмечается подземное питание. Гидрологический режим стариц определяется режимом реки. В периоды половодий они соединяются с рекой, наполняются водой и происходит обновление их водной массы. Во время жаркого и сухого лета многие водоемы могут полностью пересыхать.
Более 100 стариц общей площадью водного зеркала свыше 200 га приурочены к пойме Жиздры. Ширина их не превышает 50 м; длина большинства озер – менее 500 м; средняя глубина – 2-3 м, максимальная – до 6 м. Лишь около 10 относительно крупных водоемов имеют длину от 550 м до 1,5 км. Среди наиболее крупных – Большое Камышенское, Карастелиха, Желтое. Некоторые озера соединяются между собой протоками и формируют взаимосвязанные системы. Так, старицы Ямное, Гороженое и Подкова составляют единый природный комплекс с уникальными биоценозами.
На левом берегу Оки, в окрестностях д. Желохово, находится самое большое в Калужской области пойменное озеро Тишь. Площадь водоема равна 32 га, длина – около 2,5 км, ширина – 100-150 м, преобладающая глубина – 3,0-3,5 м. Озеро с примыкающей поймой Оки имеет исключительную природоохранную ценность как место концентрации редких видов птиц.
В бассейне Угры расположено другое уникальное озеро с ультрапресной водой и редкими водными растениями – оз. Озерки. Оно имеет правильную круглую форму и диаметр около 500 м, глубина водоема – до 6,5 м. Озеро окружено моренными холмами высотой 5-8 м, и скорее всего имеет криогенное происхождение (за счет вытаивания захороненного «мертвого» льда). Однако, параллельно существует гипотеза о его метеоритном генезисе.
Болота в национальном парке занимают незначительную площадь, менее 1%. Представлены олиготрофными (верховыми), мезотрофными (переходными) и эвтрофными (низинными) типами. Наиболее заболочен Угорский участок.
Самое крупное верховое болото парка – Морозовское (122 га). Его возраст – свыше 7 тыс. лет. Уникально Галкинское природно-искусственное водно-болотное угодье (85 га). Его возраст около 9 тыс. лет. Большую его часть занимает озеро, образовавшееся на месте использованного торфяника. Естественные болотные участки здесь распространены в краевых частях и на бровках карьеров. Территория обладает орнитологической и ботанической ценностью. Достаточно крупные низинные болота, нарушенные мелиорацией, известны в долине р. Жиздры: Оболонь (108 га) и Луговое (94 га).