La région est caractérisée par un réseau hydrographique superficiel dense et diversifié. La nature géologique des sols, à dominante karstique sur l'ensemble Est du territoire en est un des principaux facteurs. Cela lui confère une spécificité forte rapport au bassin RMC. Ce réseau karstique apparaît comme particulièrement vulnérable aux pollutions.

La partie Est du territoire donne naissance à de nombreuses sources (Jura et Doubs). La nature karstique des sols facilite le changement de la nature des cours d'eau passant de superficielle à souterraine. Un des exemples les plus frappants en est le Doubs. Le piémont vosgiens et le massif du Jura offrent des cours d'eau en régimes torrentiels. La partie Ouest est, quand à elle, caractérisée par de grandes plaines alluviales, comme la vallée de la Saône ou celle du Doubs aval.

Les cours d'eau les plus remarquables de Franche-Comté sont  la Loue, le Doubs et le Doubs franco-suisse.

La Franche-Comté est également riche en terme de grands lacs naturels. Situés de façon homogène sur le territoire régional, les grands lacs du Jura restent les plus emblématiques : Malbuisson, Les Rousses, Ilay, l'Abbaye ...

La région présente d'autres secteurs en eau d'intérêts, on peut citer par exemple les étangs de Bresse, du Sundgau ou des Vosges.

Le réseau hydrographique riche et varié de la Franche-Comté abrite bon nombre d'espèces plus ou moins remarquables (Ecrevisses à pattes blanches, Castor d'Europe,...). Parmis elles, deux espèces sont en voie d'extinction et la région présente une responsabilité national pour leur préservation, il s'agit de l'Apron du Rhône (couvert par un plan national d'actions) et de l'Ombre commun.