Le territoire est usuellement découpé en secteurs hydrographiques (codification SANDRE), qui correspondent à des sous-bassins de taille importante. La Haute-Garonne est concernée par 4 secteurs hydrographiques principaux: La Garonne de sa source à la confluence avec l'Ariège, La Garonne entre sa confluence avec l'Ariège et sa confluence avec le Tarn, l'Ariège et le Tarn.
L'hydrographie du département est également concerné par 2 grands canaux structurants :
Le canal des Deux Mers est formé du canal latéral à la Garonne (alimenté par plusieurs prises d'eau sur la Garonne) et du canal du Midi (alimenté par le système de la Montagne Noire constitué par un complexe de rigoles et de barrages). A l'origine, sa finalité concernait uniquement la navigation. Aujourd'hui, il a une vocation multi-usages et est notamment le siège de nombreux prélèvements d'irrigation.
Le canal de Saint Martory permet de dériver un débit de 10 m³/s de la Garonne à Saint-Martory et alimenter un réseau de canaux et cours d'eau sur la rive gauche de la Garonne. Sa vocation est largement multi-usage: alimentation d'une zone de 10 000 ha irrigués, contribution à l'alimentation en eau potable d'une partie de l'agglomération toulousaine, production hydroélectrique et soutien d'étiage de certains cours d'eau.
Le département est également concerné par le Système Neste, composé par le canal de la Neste (dont l'alimentation se situe dans les Hautes-Pyrénées) et un ensemble de réserves de montagne et de coteaux (110 Mm³ stocké). Ce système réalimente certains cours d'eau de la Haute-Garonne (Noue/Nère/Louge et la Save).
L'instruction gouvernementale du 3 juin 2015 demande aux services de l'État de cartographier les cours d'eau «loi sur l'eau» de leur département en se basant sur les trois critères établis à l'article L.215-7-1 du code de l'environnement: un lit naturel à l'origine, alimenté par une source et présentant un débit suffisant la majeure partie de l'année.
Sur la Haute-Garonne, une cartographie exhaustive des cours d'eau a été réalisée sur l'ensemble du département à l'exclusion de la zone pyrénéenne (compte-tenu de la forte densité et de la complexité des écoulements sur les reliefs). Cela représente près de 80% du territoire départemental.
Cette cartographie est consultable sur le site internet des services de l'État en département à cette adresse