黑龙江支流众多，最大的支流是松花江，全长1927公里，流域面积约为54.5万平方公里（均在中国境内），超过了珠江流域，占东北地区总面积的60％。松花江虽然是黑龙江的支流，然而在经济意义上却远远超过了黑龙江。
松花江正源二道白河，源出长白山主峰白头山天池，两江口以下称二道江，与头道江汇合后称松花江。从河源到二道江汇合处落差约1000米左右，河水强烈下切，河谷多为幽深狭窄的V形峡谷，且流程短，坡降大，水源充沛。溪流冲过险礁暗石、跳过陡壁之时，形成浪花飞溅的急流，从长白山顶远眺，犹如矫健的银龙在深谷和林海中飞舞，故称之为白河。其水源除了直接来自天池的湖水外，泉水补给也很丰富，水温较高，严冬不冻，常常可以看到在河面上的低空飘游着一层白茫茫的蒸汽雾，给奔流的白河罩上一层薄薄的面纱故。前人有诗一首：“白河两岸景佳幽，碧水悬崖万古留，凝似龙池喷瑞雪，如同天际挂飞流。”不仅赞美白河、天池与瀑布的景色，也道出了松花江源头的水文特征。
松花江上游吉林市以上，河谷狭窄，蛇行于山岭之间，水量大，坡降陡，落差集中，水力资源丰富。早在新中国成立前，吉林市附近就建有大型水电站——小丰满电站，形成了面积达480平方公里的松花湖。然而在日本侵华战争失败和国民党政府溃逃时，这个电站两度遭受了严重破坏。新中国成立后经过重新维修扩建，现已成为装机容量达56.7万千瓦的大型水电站。目前在它的上游正在建设白山电站和红石电站，以实现松花江的梯级开发。
从河源至吉林省与黑龙江省交界处的三岔河，松花江长795公里，流域面积78180平方公里，占吉林省全省面积的42％，是该省经济价值最大的河流。在三岔河处有支流嫩江注入。嫩江全长1089公里，流域面积28.3万平方公里，占松花江流域总面积的一半以上。松花江自三岔河起向东北流，于同江附近注入黑龙江，长1045公里。在哈尔滨至佳木斯之间有很多支流注入，其中较大的有呼兰河，牡丹江，汤旺河等。佳木斯以下，河道流经三江平原，沿岸是一片土地肥沃的草原，多沼泽湿地，这就是著名的“北大荒”。新中国成立后，这里的大部分土地已经开垦为国营农场。昔日的“北大荒”，已经变成了“北大仓”。
松花江的江水含沙量较黑龙江大，水色淡黄。当松花江注入黑龙江后，在很长的一段河道内，水色北黑南黄，人们把这段河道称之为“混同江”。
松花江干流河槽宽而深，坡度比较平缓，水量丰富，对航行十分有利，全流域通航里程为2600多公里。汽轮沿嫩江可上溯至齐齐哈尔，沿松花江可达吉林市，哈尔滨以下可通航千吨以上的江轮。松花江的航运量约占中国境内黑龙江流域总运量的95％，成为东北地区重要的水运干线。每年11月至次年3月，松花江约有5个月的封冻期，此时江面又成为陆上交通要道。松花江水力资源总蕴藏量约为6010多万千瓦，目前已开发的水力资源还不及蕴藏量的1/10，所以潜力很大。
乌苏里江是黑龙江的另一大支流，其上游为乌拉河，发源于俄罗斯东部锡霍特山脉的西南麓，自南向北流至俄罗斯的列索扎沃茨克附近中国的泥口子处，与源出兴凯湖的松阿察河相汇，然后折向东北，在下游分两汊，分别在抚远和哈巴罗夫斯克（伯力）附近注入黑龙江。泥口子以上为上游，泥口子至饶河为中游，饶河以下至河口为下游。在中国境内的主要支流有穆棱河、挠力河等。流域面积总共18.7万平方公里，其中中国境内为56690平方公里，干流长约890公里。自河口上溯经松阿察河至兴凯湖西岸的当壁，全长764公里，为中俄两国的界河。
乌苏里江流域冬季漫长而严寒，夏季短暂而凉爽。河流封冻期长达6个月，冰层厚达1～1.3米，可通行各种车辆；畅流期汽轮可沿河口上溯700公里左右，故乌苏里江也是当地水陆交通的要道。乌苏里江的下游地区地势平坦，排水不畅，积水成洳，有大片沼泽，这里就是有名的三江低地。由于湖沼、支流繁多，沼泽区植物繁密，有机质丰富，鱼饵也多，故为鱼类的生长和繁殖创造了优良条件，因此这里也是中国重要的淡水鱼产地之一，尤以盛产名贵的大马哈鱼而闻名。