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O município é drenado por duas bacias hidrográficas: do Rio Tietê, ao norte e do Rio Pardo, ao sul.
A bacia hidrográfica do rio Tietê, ocupa uma área de aproximadamente 77 300 hectares do município.
Os afluentes do rio Tietê no município são: rio Alambari e rio Capivara.
O Rio Alambari, na divisa do município de Anhembi possui como principais afluentes os córregos Nova América, do Rodrigues, Petiço, Oiti e Sete Guarantãs.
O Rio Capivara possui como principais afluentes os ribeirões e córregos Araquá e Capivara.
A foz do Rio Piracicaba, um dos principais afluentes do rio Tietê, encontra-se também no município de Botucatu.
A bacia hidrográfica do Rio Pardo ocupa uma área de aproximadamente 72 100 hectares das terras de Botucatu, sendo o Rio Pardo um afluente do Rio Paranapanema. Ele percorre uma extensão de 67 km no município de Botucatu.
