Holbæk Kommune gennemskæres af vandløb, som afvander kommunen til hhv. Isefjord i øst og Jammerland Bugt i vest. De store vandløbssystemer, der afvander i øst, udgøres af Tuse Å-systemet, der løber ud i Holbæk Fjord, og Elverdamså-systemet, som mere eller mindre følger kommunegrænsen i øst for at løbe ud i Tempelkrog. Dertil kommer Svinninge Å og Gislinge Å, som løber til Svinninge-Audebo Kanalen, der fortsætter til slusen ved Audebodæmningen i Lammefjord. Åmose Å løber derimod vestpå og forlader kommunen sydvest for Jyderup for som Halleby Å at fortsætte gennem Tissø til udløbet i Jammerland Bugt ved Reersø.
Gennem tiden er de fleste vandløb blev udrettet eller uddybet, og kun få strækninger har bevaret deres naturlige forløb. Det gælder fx dele af Truelsbæk og Regstrup Å, som har været vanskelige at udrette, da en del af deres løb ligger i et ret kuperet terræn. Kommunen er dog i fuld gang med at genoprette flere vandløbsstrækninger, så de får deres naturligt snoede løb tilbage. Blandt dem er Elverdamså, som fik genskabt en del af sine slyngninger i forbindelse med reetableringen af vådområderne ved Tempelkrog.
I jagten på ny landbrugsjord er utallige småsøer og vandhuller også blevet drænet og opfyldt, så arealerne kunne opdyrkes. Selv om det har reduceret antallet af søer, rummer Holbæk Kommune dog stadig næsten 4.000 søer på mindst 100 m2. Næsten alle er småsøer og vandhuller, og kun Maglesø, Skarresø og Gyrstinge Sø kan betragtes som større søer. Heraf er det kun Maglesø, der har hele sit areal i kommunen, mens Skarresø og Gyrstinge Sø må deles med nabokommunerne.
