泰山区境内河流为雨源型山溪性河流，属黄河流域大汶河水系。主要河流有牟汶河、芝田河、柴草河、河、泮汶河、三里庄河等。泰山主峰以北大津口一带是石汶河西支流至麻塔河的上源控制面积。
牟汶河从邱家店镇渐汶河村东南由石汶河和赢汶河汇入后进入泰山区境内，沿邱家店镇与岱岳区徂徕镇的交界线西南流，南纳陶河，北汇芝田河，至邱家店镇旧县村西南出境。境内河长21公里，流域面积315平方公里，河宽500米。水量大小随季节而变化。1918年，洪峰流量1.03万立方米每秒，是历史上有迹可查的最大流量。1964年临汶水文站实测洪峰流量为6780立方米每秒。一般旱年断流。每立方米水含沙量为汛期一般为6～8千克，多时达24千克；枯水季节水不含沙。
芝田河起源于泰山东侧大津口乡李家泉，沿山谷东南流，注入刘家庄水库。水库以下，顺谷而行，在海洼村东转向南流，渐入泰莱平原。过芝田村沿指挥庄村转向东南，河床由宽浅变为窄深，至邱家店镇纳入卸甲河，南流至居岭庄以东汇入牟汶河，长21公里，流域面积93平方公里。刘家庄水库以下，河宽80～100米，河床淤积沙砾。芝田村以下，河道渐深，河底淤沙，宽50～70米。河道上起刘家庄水库，下至二十里埠村已改河造地，河中心开挖子河，宽20～25米，两岸弃沙成堤，但不规整。邱家店镇以南河段称邱家店河，长6公里。
柴草河《水经注》称之“石汶”，又名冯家庄河、十里河，是泰山东面的一条小河道。《泰安县志》记载：“石汶河，泰山之东峪也。出登仙台，下会青山诸涧水，东流经汉明堂故址，会明堂泉下流入北汶。”即指此河。起源于泰山顶之东峪，沿谷东下，出谷口东南流，至梨园村有西来的大直沟汇入，下注安家林水库。水库以下，转向南流，经东西谢过城村和汉明堂故址南下，至许家埠以南出境入岱岳区，在东夏村南汇入泮汶河。流域面积49平方公里，河长22公里，境内长19公里，河平均宽15米。
梳洗河《山海经》称之：“环水”，又名“中溪”。源于泰山前面的中天门下山谷中，河水顺山势而下，经王母池出泰山（王母池临河处原有一梳洗楼，故名梳洗河），经泰城东关，至万家庄以东出境入岱岳区，在邢家寨以东汇入泮汶河。河长约13公里，河底宽15米左右。泰安市第一职业中专学校以上流域面积13平方公里，分水岭至山东科技大学高差800米，至泰安市第一职业中专学校高差824.4米，最大洪峰流量208立方米每秒。
奈河又称“西溪”，是岱顶前的主要山洪河道。因源于南天门前，故上游又名“通天河”。河水顺谷而下，至中天门转向西峪，故有“西溪”之称。河水穿越黑龙潭水库，过大众桥后出山，经泰城南流，至南灌庄以西汇入泮汶河，全长12公里。流域面积34平方公里。分水岭至泰山大桥高差1258米，至十二连桥高差1268.4米。最大洪峰流量540立方米每秒。
泮河《述征记》称之“北汶”，简称泮河，是史书上所称“五汶”之一。源于泰山西麓桃花峪，至郑家庄出山后，经大河水库，再东南流，至泰城南王庄入泰山区境，先后纳入三里庄河、河、梳洗河、柴草河等支流，在夏家庄以东出境入岱岳区，在东店子入牟汶河。河长42公里，流域面积368平方公里。
三里庄河源于傲徕峰南麓，西南流，至御碑楼村西折向东南流，至泰城南王庄村汇入泮汶河。河道两岸为丘陵区，河槽不规整，季节性河流，枯水期流量很少，甚至干枯，河长6公里，流域面积32平方公里。
麻塔河是石汶河的西支流。源于泰山主峰以北的牛山口，流向东南，至大津口转向东流，在栗杭村出境，入岱岳区。境内长10公里，沿岸山高谷深，坡降大，山洪急，1964年7月28日，洪峰流量达2000立方米每秒。