Гидрогеологическая обстановка массива карстующихся пород определяет интенсивность современного карстования. Для массива гипсоангидритов характерно распространение вод в верхней закарстованной зоне. Максимальна обводненность придолинной зоны. Под верхнепермскими породами она резко снижается. Воды напорные, трещинно-пластовые и трещинно-карстовые, абсолютная отметка уровня 20-70 м. По условиям питания, движения и разгрузки карстовых вод территория относится к III гидродинамическому типу сульфатного карста (Горбунова, 1979), который характеризуется преимущественным развитием зон вертикальной, переходной и горизонтальной циркуляции карстовых вод. Мощность зоны интенсивного водообмена 30-50 м, в приподнятом участке Беломорско-Кулойского плато - до 100 м. Через развитый на водораздельных участках поглотительный аппарат полей карстовых воронок, поверхностные воды попадают вглубь массива, где образуют концентрированные подземные потоки - карстово-спелеогидродинамические системы. Пути подземного транзита от мест поглощения к зонам раз­грузки непродолжительны - до 10-15 км, обычна разгрузка в виде нисхо­дящих или восходящих источников в устьевых участках пещер, отмечены пластовые и субаквальные выходы карстовых вод. Минерализация подземных вод преимущественно сульфатно-кальциевая, в паводок составляет 0,4-0,8 г/л, в межень обычно превышает 2 - 2,2 г/л.

Поверхностные воды (общая площадь 778 га) на территории заповедника представлены широким спектром водопроявлений: постоянными и периодически исчезающими карстовыми реками и ручьями, карстовыми озерами. Основными дренами территории являются реки Сотка и Пинега (последняя расположена вне заповедника, но дренирует его восточную и юго-восточную часть).

Протяженность р. Сотки в пределах заповедника составляет 30 км, врез реки достигает 45 м. Река имеет здесь каньонообразную долину, слабо выраженные эрозионные террасы, хорошо развитую доголоценовую пойму и крутые, а порой вертикальные гипсовые борта-обнажения. В пределах территории заповедника насчитывается свыше 120 небольших порогов и сливов, значительное количество разгрузок карстовых вод - около 125. Преобладают нисходящие источники, протяженностью до первых десятков метров, разгружающиеся из пещер или щелей в основании обнажений гипса. За счет питания подземными водами, р. Сотка увеличивает меженный дебит в три раза.

Выше границы заповедника р. Сотка типично равнинная пресноводная река, на этом отрезке в нее впадает большое количество малодебитных (расход до 3—10 л/с) текущих с болот ручьев, слабо минерализованых — до 50—350 мг/л, HCO₃Ca.  Смена фациального состава на SO₄-Са происходит при вступлении реки в полосу обнаженных пород. Максимального значения — до 1,2 -1,4 г/л  содержание SO₄ Ca достигает на выходе реки из уступа сульфатных пород. В пределах заповедника  река имеет только два постоянных поверхностных притока — правобережные ручьи Котбой и Падров, на участке бронирования сульфатной толщи верхнепермскими красноцветами.

Значительный интерес представляет ряд поглощающихся в пещеры или периодически исчезающих малых рек и ручьев. Для них характерен либо полный, однократный переход в подземный транзит (р. Кумичевка, ручьи Пехоровский, Кривой) либо периодическое поглощение в бортах карстовых логов и пещерах (р. Карьяла, ручьи в Северном и Святом Логах). Поглощаясь в провальных колодцах или разгружаясь в бортах карстовых логов, ручьи образуют водопады, крупнейшим из них является водопад на входе в пещеру Пехоровский Провал. Наибольшее количество водопадов отмечено на периодически исчезающем водотоке в Северных Логах.

На территории заповедника имеется значительное количество озер, как правило, небольших по площади. Общее количество – 292, большинство из них имеют площадь менее 3 га, глубины озер варьируют в диапазоне от первых метров, до первых  десятков метров. Котловины большинства озер Пинежского заповедника являются карстово-эрозионными и ледниковыми, развитие их происходило с различной степенью эрозионной переработки. Крупнейшие озера территории: Першковское, Карьяловское, Кумичево, Нюхчозеро, Ераськины озера, Железное, Сычево.

Большая часть озер имеет тесную морфогенетическую связь с карстом и карстовыми водами. Типичны группы озер с поверхностной и подземной проточностью. Взаимодействие с карстово-спелеогидродинамическими системами обеспечивает питание ряда озер карстовыми водами. Степень минерализации озер отражает их отношение к различным гидродинамическим типам, по ее величине озера подразделяются на: суперпресные:  < 50 мг/л,  HCO₃ – Ca; пресные:  50-500 мг/л, HCO₃ - Ca, при возможном росте SO₄;  слабосоленые: 500 - 1500 мг/л, SO₄-Са; соленые >1500 мг/л, SO₄-Са.