La red hidrológica del PRCAM pertenece a la cuenca del Tajo y comprende parte de dos subcuencas: la cuenca del Jarama y del Guadarrama.
El río Manzanares, perteneciente a la subcuenca del Jarama, nace en el Parque Nacional de la Sierra de Guadarrama, concretamente en el Ventisquero de la Condesa. Tiene una longitud total de 92 km, 25 de los cuales discurren por el Parque Regional. En su cabecera es un río típico de montaña, con fuertes pendientes y aguas rápidas. Inmediatamente al sur del pueblo de Manzanares, el río forma, junto con arroyos como el Mediano, el Samburiel o el Chozas, el embalse de Santillana. El tramo medio, desde la presa de éste hasta la cola del embalse de El Pardo, presenta una disminución drástica del flujo de agua circulante, ya que esta, tras ser almacenada en el embalse de Santillana, es conducida a través del canal del mismo nombre hacia la ciudad de Madrid para el suministro de agua potable. Este tramo carece de la homogeneidad físico-química y biológica del tramo alto, debido a que la actividad antrópica ha introducido una serie de discontinuidades que ocasionan una importante heterogeneidad ambiental. No obstante, el curso medio sigue poseyendo un elevado valor ecológico.
Dentro del Parque Regional también fluye el tramo alto del río Miraflores, que igualmente pertenece a la subcuenca del Jarama, formando un pequeño embalse a los pies del puerto de La Morcuera. Dicho río tiene una longitud total de 11,7 km, de los cuales 1,8 discurren por el PRCAM.
Por su parte, el río de la Venta, de 9 km, recoge las aguas del valle de La Fuenfría, en Cercedilla, siendo uno de los principales afluentes del río Guadarrama, discurriendo 1 km en terrenos incluidos en el PRCAM.
Ligado a estos cursos de agua existe un hábitat característico como son los bosques de ribera, propios de los márgenes fluviales. Las características que presentan estos ecosistemas varían con factores como el régimen fluvial, el desarrollo de los suelos o el clima. Los bosques de ribera del PRCAM desempeñan una importante función como corredores verdes para la fauna, especialmente para las especies forestales, conectando la sierra con la rampa.
En cuanto a los humedales presentes en el PRCAM, se han inventariado más de 50 de distinta entidad. Hay dos zonas que están incluidas en el Catálogo de Embalses y Humedales de la Comunidad de Madrid. Una es el embalse de Santillana, en los términos municipales de Soto del Real y Manzanares el Real, catalogado por su valor faunístico y paisajístico, y la otra las charcas de los Camorchos, en Hoyo de Manzanares, con interés faunístico y botánico.
La hidrología subterránea, al ser las rocas en el tramo alto impermeables, no tiene una importancia específica, ya que las únicas posibilidades de captación de agua subterránea son fracturas y zonas de alteración.
