塔里木河，由和田河、叶尔羌河、喀什噶尔河和阿克苏河于阿瓦提县肖加克附近汇流而成。四河汇合处的中间为一小岛，清代的《河源纪略》里记载为“会处四水交贯，形若牛栏”。故塔河干流始于阿瓦提县肖加克，东流经塔克拉玛干大沙漠北缘，到群克附近折向东南，最后流入若羌以北的台特马湖。根据新疆地情网资料，塔河流域面积1.8万平方千米，应指干流段流域面积，一般资料称流域总面积102万平方千米，应是正确的。
根据新疆地情网资料，塔河干流段长1249千米（有资料称1321千米。上游河源地区和田河长1127千米，叶尔羌河长1078千米（有资料记为1179千米），喀什噶尔河长555千米，阿克苏河长593千米。若以和田河为上游干流（即正源），塔里木河全长2376千米（或2448千米）。因叶尔羌河水量最大（或以1179为叶尔羌河长度），一般以叶尔羌河为上游干流（即正源），塔里木河全长2327千米（或2500千米）。但有的资料认为全长2437千米。一般资料皆记为全长2179千米 。
以叶尔羌河为正源，则塔河所经区域，在行政隶属上属于阿克苏地区的阿克苏市、沙雅县、新和县、库车市和巴音郭楞州的轮台县、库尔勒市、尉犁县、以及生产建设兵团农一师、农二师所属的15个团场。
塔里木河上游各支流水源日趋减少。喀什噶尔河在1950年代后期终止来水；叶尔羌河在1960年代修建巴楚小海子水库以后，下泄水量锐减；阿克苏河1960年代修建塔里木拦河闸和上游水库以及其他引水工程后，下泄水量也不断减少；和田河上游修建了许多水利工程，除大洪水期下泄水量外，其他时期无水下泄。1972年大西海子二库建成后，拦断河道，水库以下河床断流干涸。21世纪初开始全流域治理后，开始有水流复达台特马湖。
塔河四大源流出山口处水质良好，水质类别为1-2级，能够满足生活、农业灌溉和渔业养殖。塔河干流不产流，源流水质优于干流，上游优于下游。由于受地理环境因素及农田排水影响，干流非汛期水质较差，河水矿化度已超出盐碱地区标准，水质类别为超5类。
多年平均含沙量，天山南坡河流在2.0-5.6千克·立方米之间，昆仑山及阿尔金山河流在2.0-11.5之间，帕米尔及喀拉昆仑山河流在2.9-5.9之间，塔河干流中下游在4.1-5.0之间。
多年平均输沙量，塔河流域内最大2849万吨，最小37900吨，相差751倍。主要来源于阿克苏河、叶尔羌河、和田河三条源流。
塔河的洪水分为融雪（冰）洪水、暴雨洪水、溃坝型洪水和溃坝－融冰混合型洪水。融雪洪水一般发生夏季，高山区5-9月为冰川高山积雪融水期。这类型洪水历时较长，阿克苏河、叶尔羌河、和田河较为明显。暴雨型洪水库车河在1958年8月13日洪峰流量为1940立方米/秒。
塔河流域多年平均天然径流量398.3亿立方米，主要以冰川融雪补给为主，不重复地下水资源量为30.7亿立方米，流域水资源总量为429亿立方米。
四条源流出山口天然径流量1950年代后呈增加趋势，多年径流量为229.8亿立方米，最大年径流量为304.1亿立方米（1994），最小年径流量176.8亿立方米（1965），最大年径流量与最小年径流量比值1.72。20世纪50-80年代为平水年，基本接近多年平均值；1990年代和2000－2005年为丰水年，平均径流量分别为241.9亿立方米和258.9亿立方米。
1950年代以来，四条源流出山口天然径流量呈增加趋势，但由于源流区山前灌溉面积和用水量的增加，补给塔河干流水量由1950-1960年代的60亿立方米，减少到21世纪初的44亿立方米，减少了16亿立方米，平均每十年减少3.2亿立方米。从1980年代至21世纪初入塔河水量已小于多年平均值。
塔河历史上是一条自然耗散型河流，多年平均上游耗水量为16.69亿立方米，中游耗水量22.96亿立方米，下游耗水量为6.33亿立方米，上中游是塔河最大的耗水区段，耗水量达39.65亿立方米，占阿拉尔水文站多年平均流量45.98亿立方米的86.2%，仅有6.33立方米水量进入下游。
100多年前阿拉尔水文站以上有阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河四条源流，最大年流量达103.3亿立方米（1948年），有实测以来最大年径流量为69.6亿立方米（1978年），最小年径流量仅25.6亿立方米（1993年），二者相差2.7倍。喀什噶尔河断流后，1950年代平均径流量为50亿立方米，1990年代减少到42亿立方米。平均每年以1860万立方米的速率减少。1967年恰拉水库建成，1980年孔雀河库塔干渠建成，孔雀河入塔径流量呈减少趋势，1970年大西海子水库建成，有20年无水下泄，特别是20世纪80-90年代几乎断流，以下河道长期处于断流状态。台特玛湖于1974年干涸。生态环境更加恶化。从2000年起实施从博斯腾湖和塔河干流向下游绿色走廊和台特玛湖输水，要求大西海子水库年下泄量为3.5亿立方米。因此，下游水量有所增加。
冰川径流年内分配不均匀，6-9月来水量占全年径流量的70%-80%，大多为洪水，且洪峰高，起涨快，洪灾重；3-5月的灌溉季节来水量仅占全年径流量的10%左右，极易造成春旱。
塔河流域属于内陆河流域，发源于塔里木盆地周围山地的内陆河流，向盆地内部流动，构成向心水系。塔河流域的河流水系是由发源于塔里木盆地周围的天山、帕米尔高原、喀喇昆仑山、昆仑山、阿尔金山的144条河流组成的，它们分属于九大水系，开都河与孔雀河水系、迪那河小河水系、渭干河与库车河水系、阿克苏河水系、喀什噶尔河水系、叶尔羌河水系、和田河水系、克里雅河小河水系、车尔臣河小河水系。塔河流域的主要河流有阿克苏河、叶尔羌河、克孜河、盖孜河、克里雅河、开都河、渭干河、和3田河及塔里木河干流等。
历史上，塔里木河流域曾有阿克苏河、喀什葛尔河、叶尔羌河、和田河、开都—孔雀河、迪那河、渭干河与库车河、克里雅河和车尔臣河等九大水系汇入，流域总面积达102万平方千米，流经5个地（州)的42个县（市)和4个兵团师的45个团场，流域内生活着人口逾1200多万人。
20世纪50年代以后，由于自然及人为等多重因素，塔里木河的水源仅缩减为阿克苏河、和田河、叶尔羌河、开都—孔雀河（通过杨水站众博斯腾湖抽水经库塔干渠向塔河下游灌区输水）这4条河，于是形成了塔河"四源一干"的格局。
开都河，位于天山南坡，发源于天山中部的萨尔明山，上游穿过大、小尤勒都斯盆地，中游流经160千米峡谷段，到拜尔基以下20千米出山口，进入焉耆平原，东流200余千米，河道弯曲水流平缓，在宝浪苏木分东西两支，注入博斯腾湖和小湖群。河道全长420千米，天然落差1867米，流域面积24546平方千米，多年平均流量112立方米/秒，年径流量33.80亿立方米。本流域水源充沛，草原辽阔，上游巴音布鲁克是新疆美丽富饶的草原之一。开都河下游焉耆段水流平缓，河床淤高，洪水时对两岸城镇和农田威胁很大，筑有防洪堤坝。因博斯腾湖与孔雀河连通，故属于塔河水系。
孔雀河，发源于博斯腾湖，它的水源是开都河水入湖自然调节后，从大湖的西南角流出，经过苇湖区汇集成孔雀河（维吾尔语：“昆其达里亚”）。河水由大湖出口经小湖苇塘流至塔什店，长约80余千米，落差很小，平均纵坡1/2.5万-1/3万，水流平缓。从塔什店南折进入天山支脉库鲁山峡谷，水流湍急，河道弯曲。过铁门关后即达库尔勒平原。河流转向西流横贯库尔勒市区，经兰干麻札、下户、上和什里克转向南流，到包头湖又转向东南，经普惠与塔里木河北支汇合后，经过尉犁县城以南，向东流约500余千米注入罗布泊，全长785千米。由尉犁以下当地人称“库鲁克河”，维吾尔语意为“干河”。1952年尉犁县在塔里木河筑坝引水灌田，塔里木河水很少流入孔雀河。由于节节打坝堵水，孔雀河下游早已断流，成为名副其实的干河。据1954-1980年水文资料统计，孔雀河年径流量，最大21.99亿立方米(1959年)，最小8.064亿立方米（1968年），多年平均11.55亿立方米。20世纪50年代，河水正常流量约40立方米/秒，以后由于湖水位下降，出湖水量逐年减少。
渭干河，发源于天山南麓，上游段（上千佛洞以上）称木扎提河，经拜城盆地（即天山南支脉的却勒塔格套山，北部至天山主脉间），有4条支流汇合，即卡布斯浪河、黑孜河、台勒维契河及卡拉苏河。木札提河全长242千米，落差1637米，最大坡降23.7‰，流域面积16716平方千米。上游4条支流与木札提河在上千佛洞以上汇合后即称渭干河。该河经过38千米峡谷，落差90米，比降3.1‰，即进入库车、新和、沙雅3县平原，由西北流向东南，最后注入塔里木河。全河上下游（包括木札提河）总长442千米，流域面积32616平方千米，总落差1787米，年径流量33.04亿立方米，多年平均流量69.6立方米/秒。
库车市西25千米处，渭干河畔的峡谷悬崖上有库木吐拉石窟（即上下干佛洞），是公元5世纪后佛教兴盛时期修建。在拜城东北60千米木札提河畔的悬崖上，有公元三四世纪建造的塑像壁画等石窟群。这些石窟是研究龟兹历史文化和中西方交流的形象资料。但大部分已被国外探险者盗窃破坏。1961年，被国务院列为全国第一批重点文物保护单位之一。
阿克苏河，发源于天山西段南坡吉尔吉斯斯坦境内，入中国国境后，流经阿合奇、乌什、温宿、阿克苏和阿瓦提5县、市。上游有两大支流：北支为昆马力克河，长293千米，其中中国境内长144千米，河床平均坡降5.8‰，落差639米，流域面积12816平方千米，其中中国境内流域面积4500平方千米；西支为托什干河，流程长457千米，其中中国境内长344千米，落差1705米，河床平均坡降5‰，流域面积19166平方千米，其中国内16300平方千米。两大支流在温宿县帕合提勒克汇合后始称阿克苏河，南流至阿瓦提县肖加克与叶尔羌河、和田河汇合为塔里木河。阿克苏河为国际河流，中国境内流程以昆马力克河为主源，全长280千米，其中干流长136千米，天然落差117米，平均坡降1.25‰，流域面积42844平方千米，其中吉尔吉斯斯坦境内1.9万平方千米，年径流量84.43亿立方米其中国外流入量为50.1亿立方米，多年平均年供给塔里木河干流34.04亿立方米，消耗于阿克苏绿洲的地表水年径流量为50.39亿立方米。阿克苏河是塔里木河的主要支流。据1978年阿拉尔水文站资料，阿克苏河流入塔里木河的水量为37.85亿立方米，占塔里木河总水量的76%以上。
叶尔羌河，发源于喀喇昆仑山诸山脉，海拔8611米的世界第二高峰乔戈里峰坐落在流域南部边缘，河流流经高山峡谷约250千米。主要支流由西岸汇入有：克勒青河、塔什库尔干河，出山口到卡群向东北流，穿过582千米长的广阔平原，经莎车、泽普、麦盖提、巴楚县，到阿瓦提县与阿克苏河相会，流入塔里木河，流程全长1078千米（有资料记为1179千米 [7] ）。由山区到平原总落差3294米，最大比降11‰，最小比降4.27‰，流域总面积9.37万平方千米，其中山区集水面积5.25万平方千米。多年平均径流量64.5亿立方米，年平均流量205立方米/秒，最大洪峰流量6270立方米/秒（1961年9月4日），最小枯水流量30.7立方米/秒（1979年1月30日）。据清代文献推断，大约在18世纪，叶尔羌河已构成目前的水系形势。叶尔羌河流至巴楚县境，由于河床淤高和北岸从20世纪初开渠引水，河网北倾紊乱，特别是1961年修建小海子水库后，大量河水倒向北流，注入小海子和永安坝水库，经土木休克下泄，叶尔羌河古道从库得力克大坝以下基本无水下流。
和田河，是塔里木河主要支流之一，有两条支流，东支为玉龙喀什河（伊里奇河），西支为喀拉喀什河（又称墨玉河）。两河发源于喀喇昆仑山北麓，流出山口后，为广阔的平原农业区。喀拉喀什河与玉龙喀什河从河源至汇合口（和什拉什）各长808千米和630千米。两河汇合后称和田河，流经塔克拉玛干西部沙漠，最后注入塔里木河。和田河主流长319千米，若以喀拉喀什河为源流，则和田河总长1127千米。玉龙喀什河天然落差3380米，集水面积14575平方千米，多年平均径流量23.1亿立方米，平均流量67立方米/秒，流经和田、洛浦两市县。喀拉喀什河天然落差4001米，集水面积22153平方千米，年径流量22亿立方米，多年平均流量60.5立方米/秒。
截至2002年，塔河流域已建成永久性引水枢纽232座修建干渠支渠总长3790千米，年引入灌区水量约282亿立方米。在塔河干支流已修建水库145座，总库容36.5亿立方米。有效缓解了水量时空的不平衡问题。
上游水库，是大型平原水库，位于塔里木河最上游，故名“上游水库”。水库最深处可达12米左右，最大水面137.5平方千米。上游水库水面开阔，南北回水面长度为20千米，东西宽10千米，水深平均8米，最深达12米。
乌斯满水利枢纽，位于巴州尉犁县境内塔里木河干流中游，是乌斯满河口上游的拦河引水枢纽。主要由泄洪冲砂闸、进水闸、上下游导流堤和防洪冲砂设施等组成，设计水平年引水量2.98亿立方米。主要任务为合理调配塔里木河水资源，保证乌斯满河两岸生产、生活和生态用水，保障塔里木河干流输水和泄洪要求，促进实现塔河流域近期综合治理目标。2105年9月竣工。
大西海子水库，位于塔里木河末端，水库总蓄水面积可达68平方千米，总库容量1.68亿立方米。2000年以来，该水库积极发挥生态调节功能，连续14年向塔河下游生态输水，累计下泄水量41.64亿立方米，结束了塔里木河下游河道断流近30年的历史，有效恢复和保护了塔里木河下游的生态环境。
塔里木河的灌溉，养育了沿岸绿州。库尔勒绿洲是我国最大的香梨产地，位于塔里木盆地的东北角，境内有博斯腾，塔里木河和孔雀河，其中孔雀河穿过库尔勒绿洲中央。轮台绿洲位于塔里木盆地北缘，迪那尔河是其境内最大的河流，造就了轮台绿洲。库车－阿克苏-阿拉尔绿洲，位于塔里木盆地的北部，阿克苏河、渭干河等支流是其主要水源，成为了苹果的产地。喀什－叶城绿洲，古老的叶尔羌河流经此地。
针对塔河中下游生态恶化问题，特别是下游断流生成的生态问题，1992年1月8日，塔里木河流域管理委员会及塔里木河流域管理局（简称塔管局）在新疆库尔勒市成立。1994年4月，自治区颁布了《塔里木河流域水政水资源管理暂行规定》。1994年冬至1995年春，向塔里木河下游大西海子水库以下绿色走廊输水2800万立方米。1997年12月，经自治区八届人大常委会第三十次会议审议并通过的《新疆塔里木流域水资源管理条例》颁布，并成为我国第一部地方性流域水资源管理法规。2000年，制定了《塔里木河流域水资源和生态环境问题及其对策》。2001年3月，自治区、水利部在问题及对策研究的基础上又编写了《塔里木河流域近期综合治理规划报告》。2014年9月25日，自治区十二届人大常委会第十次会议审议通过并公布了修订后的《新疆维吾尔自治区塔里木河流域水资源管理条例》。1998年8月，塔里木河流域水利委员会常委会和塔里木河流域水利委员会、执委会、管理局相继成立，并通过五年工作计划和相关水利委员会章程。
截止2008年，塔里木河流域近期综合治理累计完成建设投资75.19亿元，占总投资计划的70%，实现工程当地节增水量20.3亿立方米，当年完成工程建设投资14.05亿元，完成竣工验收项目39项。2009年，建设完成了下坂地水利枢纽、叶尔羌河中游渠首、和田河河道疏浚整治等重点工程，并全面启动“全流域水资源统一调度”管理工程，建成了全流域水量调度远程监控系统，并对流域上游水量调度实行“双指标”考核，以全面监督塔里木河流域各地州和新疆生产建设兵团沿途团场限额用水。
到2010年底，塔里木河流域近期综合治理项目共完成投资92.79亿元，占总投资的87%。博斯腾湖东泵站、下坂地水利枢纽等重点工程已相继建成，塔里木河流域全面实施了源流耗用水量和进入干流水量双指标控制，新设立了40个水量测验断面，对超计划用水行为采取关闸闭口、压闸减水等措施，加强水量调度和控制。同时还开展非汛期应急调水工作，并在2010年5月22日首次实现了非汛期干流水量到达塔里木河干流下游恰拉断面。塔里木河流域水资源统一管理得到加强，阿克苏河上的西大桥枢纽、拦河闸枢纽和塔河干流上的大西海子水库移交塔管局直接调度和管理。2011年，塔里木河流域近期综合治理进入收尾阶段，10年间累计完成投资102亿元。
2001年-2017年，新疆先后组织实施了17次向塔里木河下游的生态输水，累积输送生态水55亿多立方米，水头13次到达尾闾台特玛湖，结束了下游河道连续干涸近30年的历史，生态输水工作渐趋“常态化”。
