乌江是贵州省最大的水系，也是市境南部流入长江的一条最大支流。乌江古称延江，下游亦称黔江、涪水。乌江源出贵州高原西部乌蒙山东麓，分南、北两源。南源为三岔河，北源为六冲河，分别源于威宁、赫章县境，习惯上以三岔河为正源。南、北两源在黔西县境化屋基汇合，从化屋基到乌江镇称鸭池河，乌江镇以下始称乌江。由西南向东北流经贵州修文、息峰、遵义、开阳、瓮安、湄潭、余庆、思南、沿河等县境后，折向西北进入市境，经酉阳龚滩、彭水、武隆，于涪陵注入长江，全长 1 037千米，流域面积87 920平方千米。
乌江干流在化屋基以上为上游，化屋基—思南为中游，思南以下为下游。乌江蜿蜒曲折，沿岸支流分布比较均匀，主要有猫跳河、野杞河、偏岩河、湘江、清水江、余庆河、六池河、石阡河、印江河、甘龙河、唐岩河、洪渡河、郁江、芙蓉江、大溪河。
乌江上游系典型的山区性河流。河流流经海拔2240～1000米的云贵高原，喀斯特地貌发育，多溶洞、地下河。北源有三段伏流河。水流湍急，落差大，河道弯曲狭窄，河床中崩石堆积，形成众多急滩，无舟楫之利。
乌江中游穿行于崇山峻岭之间，由于河水侵蚀和地下水溶蚀，往往形成200～300米深的V型峡谷，水急滩多，震声隆隆，有大小险滩148处，著名险滩有漩塘、天生桥、震天滩、一子三滩等，是乌江通航的最大障碍。这些险滩长，落差大，水能资源十分丰富。国家规划在乌江干流修建11座梯级电站，现已建成乌江渡、东风、普定3座电站，即将兴建构皮滩、彭水电站。
思南以下河流切穿大娄山、武陵山而进入市境东南部山地丘陵地区，峡谷与宽谷交替出现，河谷略为开阔，河道较平直，水流较缓。市境乌江河道长约230千米，两岸山地高出江面200～600米以上，宽谷地段枯水面宽80～22米，岸坡25°～50°，其中面积较大的有彭水县城、武隆江口及县城、涪陵白涛等。峡谷地段枯水面宽50～80米，岸坡50°～80°，水深20～30米。沿江山崖崩塌，河中礁石、乱石甚多，水急流乱，滩险相接，其中以羊角碛滩最险。1950年以来，进行了大量的航道整治工程，使下游河段全河通航。
乌江年平均径流总量为534亿立方米，年平均流量为1 690立方米／秒（武隆站），径流年际变化不大，各站年径流量的变异系数（CV）值为0.20～0.23之间。年径流量极值比为2～3倍。径流年内分配不均，6、7、8三个月的径流占年径流的 49.4％，5～10月的径流占年径流的79.2％。洪水暴涨暴落，持续时间不超过10天。年最大流量15 600立方米／秒，年最小流量153立方米／秒。洪枯流量比率为729，最大洪枯水位差36.09米（武隆站）。