Malatya ili, Fırat havzası üzerinde yer alır. Havzanın yukarı Fırat bölümünde oldukça geniş alanı kaplayan il toprakları, yer üstü su kaynakları açısından hayli zengindir  
 Söğütlü Çay   
Göl Dağı’nın güney yamaçlarından başlayan bu vadi pek uzun değildir. Önce güneye, sonra güneydoğuya uzanarak Fırat'a açılmaktadır. Vadi yer yer genişleyerek büyük olmasa da tarım açısından önemli ovacıklar meydana getirmektedir. Bunların başlıcaları; Diştrik ve Arguvan yazılarıdır. Diştrik yazısı, Söğütlü çay vadisinden bucağı vadisine doğru yayılan düzlüğe denilmektedir. Küçük bir ovadır. Uzunluğu ve genişliği 17,5 km.ye ulaşan ova, yer yer dalgalı ve taşlıktır.  
 Sürgü Çayı 
 İlin güneybatı ucunu oluşturan Sürgü yöresinin sularını toplayan bu çay, Malatya yöresinin batı kesimlerinde yer alan Karakaya tepesinin güney yamaçlarından doğar. Sürgü çayı, Göksu ırmağının önemli bir koludur. Sürgü kasabasından sonra, Kapıdere'ye kadar batı yönünden akan çay sonra güneye döner. Burada, Göksu ile birleşen ve Göksu adını alan akarsu, doğuya dönerek Adıyaman il sınırına girerek Adıyaman il topraklarından Fırat'a katılır. Sürgü çayı üzerinde Sürgü barajı kurulmuş olup, bu barajdan geniş bir alan sulanmaktadır. Malatya'nın bu önemli akarsuları dışında ya doğrudan Fırat'a, ya da diğer büyük akarsulara karışan çok sayıda küçük çay ve dereleri vardır. 
 Kuruçay   
 Yama dağı batısından doğan Kuruçay, Hasançelebi, Hekimhan ve Fethiye'yi geçtikten sonra Eğribük yönünde Fırat'a katılır. Yaz aylarında suyu iyice azaldığından bu sudan pek faydalanılamamaktadır.
 Tohma Suyu  
 Malatya’nın doğu sınırını oluşturan Fırat nehrinden sonra ilin en büyük akarsuyudur. Tohma Çayı, 52,5 km uzunluğa sahip olup iki koldan oluşmaktadır. En uzun kolu olan Ayvalı-Tohma Çayı, Uzunyayla’dan; diğer kolu olan Hacılar Tohması ise Tahtalı Dağlarından doğar. Bu iki kol, il sınırına girerek Mığdı Ovası üzerinde birleşip dar ve uzun Şuğul Boğazı'ndan kurtulduğu yerde Yazıhan Sulaması'nı oluşturan ve aynı zamanda elektrik üreten Medik Barajı kurulmuştur. Tohma suyu Malatya ovasından akarken kuzeyde HalavunÇayı ile EpremeÇayı, güneyde Dipsiz Çayı, Doğanşehir ilçesinin batı sınırlarından doğan 21,5 km uzunluğundaki Sultansuyu, ilk kollarını Pınarbaşı Beydağları diplerinden alan Beylerderesi, Horata Çayı ile OrduzuÇayı’nı alarak Fırat Nehri’ne dökülmektedir. Bu sular Sultansuyu, Doğanşehir ve Malatya ovalarının sulanmasında önemli yer tutmaktadır.Tohma Çayı’nın Darende ilçesi sınırlarından geçerken oluşturduğu kanyon görülmeye değer doğal güzelliklerdendir. Darende için büyük bir öneme sahip olan Tohma Çayı üzerinde. 2005 yılından bu yana yaklaşık 8 km’lik bir parkurda rafting sporu yapılmaktadır.
 Fırat Havzası  
 Türkiye'nin en büyük havzasıdır. Su toplama alanı 127.000 km2 dolayında olan havzanın yıllık ortalama su hacmi 28 milyar m3'ü aşmaktadır. Fırat havzasında 4.900.000 hektara yakın ovalık alan vardır. Bunun 1.700.000 hektar yer alan akarsuların en önemlileri Tohma suyu, Kuruçay, Fırat nehri ve Sürgü Çayıdır.
 Fırat Nehri  
 Keban Barajı'ndan çıkan nehir Malatya'nın Elazığ ile sınırını oluşturacak şekilde güneybatıdan güneydoğuya doğru genişçe bir yay çizerek akar. Önce Kuruçay'ı sonra Tohma suyunu alarak akan Fırat, zaman zaman kollara ayrılarak adacıklar oluştururdu. Bu alan günümüzde Karakaya Baraj Gölü sahası içinde kalmıştır. Fırat nehri, Kömürhan mevkiinde Doğu Anadolu'nun en uzun ve en derin boğazlarından biri olan Kömürhan boğazına girerek akmasına devam edip, boğazdan sonra Malatya-Diyarbakır sınırını oluşturmaktadır. Diyarbakır Çüngüş ilçesi yakınlarında Karakaya Barajı kurulmuştur.