Území CHKO Bílé Karpaty náleží k úmoří Černého moře, přičemž jeho největší část patří do povodí toku druhého řádu řeky Moravy. Jejími nejvýznamnějšími přítoky odvodňující Bílé Karpaty jsou: Olšava, Okluka, Svodnice, Radějovka a Velička. Severozápadní část CHKO náleží k hornímu povodí Olšavy - plocha povodí (P) 112,2 km2 délka toku (L) 13,8 km a průměrný průtok (Qa) 0,66 m3/s. K jejím významným přítokům patří především Horní Olšava (Šťavnice) na níž je umístěna Pozlovická vodní nádrží (plocha 42 ha, objem vody 2,70 mil. m3), která slouží převážně pro rekreaci. K dalším důležitým přítokům patří Kolelač (vodní nádrž Bojkovice - plocha 15,4 ha, objem vody 0,96 mil. m3), Kladénka, Koménka a Bzovský potok. Střední část Bílých Karpat patří k horním povodím Veličky (P 66,6 km2 , L 12,3 km a Qa 0,47 m3/s), Okluky a z malé části i Svodnice. Z jihozápadní části odvádí vody další levostranný přítok řeky Moravy Radějovka.

Část Bílých Karpat při hranicích se Slovenskou republikou odvodňuje řeka Vlára se svými přítoky do slovenského Váhu. Na území chráněné krajinné oblasti je povodí Vláry od jejího soutoku se Sviborkou​​​​​​​Říčka v CHKo Bílé Karpaty. ​​u Vlachovic po státní hranici, kde má P 323 km2, L 30,7 km a Qa 3,20 m3/s. Nejvýznamnějším přítokem Vláry je Brumovka. Rozvodnice těchto povodí druhého řádu jde z větší části po hlavním hřebenu Bílých Karpat. Výjimku tvoří Vlára, která prořízla zpětnou erozí hlavní hřeben (ukázkový příklad říčního pirátství) a odvádí vody z původního povodí Moravy do Váhu. K jeho povodí patří i další menší vodní toky - Hrubář (Březová), Klanečnice (Strání), Teplica (Javorník) aj.

Vzhledem ke geologické stavbě je na celém území velmi omezený výskyt podzemních vod, které jsou vázány pouze na místní mocnější polohy pískovců. Vertikální komunikace vod končí na vrstvách pelitů, a tak se vytvářejí drobné hydrogeologické jednotky, odpovídající jednotlivým lavicím pískovců. Proto prameny ve flyšových oblastech jsou rozptýlené a většinou mají i menší vydatnost. Relativně vydatnější zdroje podzemních vod jsou pouze v kvartérních fluviálních sedimentech podél některých vodních toků (Olšava, Velička, Radějovka, Vlára).

Nachází se zde ale významné zdroje minerálních vod, z nichž nejdůležitější a nejznámější je luhačovická zřídelní struktura. Vývěry minerálních vod jsou vázány především na nezdenický zlom v linii Březová - Suchá Loz - Nezdenice - Luhačovice - Biskupice. V Luhačovicích je řada zřídel studené alkalické kyselky a jeden pramen sirovodíkové vody. Jejich vznik souvisí s třetihomím vulkanismem, díky němuž byly na zlomových liniích proplyněny hlubinným oxidem uhličitým a současně obohaceny stopovými prvky. Další zřídla kyselek jsou v Březové, Nezdenicích, Suché Loži, Záhorovicích a jinde. Zdroje sirovodíkové vody jsou v Brumově, Javorníku, Korytné, Petrově, Pradlisku, Strání a na dalších místech.