Głównym ciekiem wodnym, który stanowi oś Kotliny, jest rzeka Wisła. Pod Bydgoszczą rzeka ta zakręca na północ, dokonując przełomu w wysoczyznach pojezierzy. Odtąd w kierunku zachodnim Kotlinę odwadnia rzeka Brda, zaś na zachód od Bydgoszczy – zbudowany w 1774 r. Kanał Bydgoski. Południowo-zachodnią część Kotliny zajmuje ponadto zatorfione obniżenie, przez które płynie silnie meandrująca rzeka Noteć oraz zbudowany w latach 1878–1882 Kanał Górnonotecki wraz z rozległą siecią kanałów odwadniających.
W Kotlinie Toruńskiej znajduje się kilka, przeważnie płytkich jezior, z których największym jest jezioro Jezuickie, wykorzystywane dla celów rekreacyjnych głównie przez mieszkańców Bydgoszczy. Inne niewielkie akweny to: jezioro Nowe, Stare, Nagus, Balaton i Jezuickie Małe.
Teren po północnej stronie Wisły, między Bydgoszczą, a Toruniem jest dobrze nawodniony przepływającymi przez ten obszar ciekami (m.in. Kanał Górny i Kanał Dolny), dzięki czemu stanowi dobry teren bytowania ptactwa. Jej atrakcją są duże kolonie bocianów.