El principal elemento hidrológico de Sajambre es el río Sella, que nace en el Puerto del Pontón, en Fonsella, a más de 1.200 metros de altitud, y discurre en dirección sur-norte, atravesando el pueblo de Ribota, y dividiendo el municipio en dos. Es esta una de las razones por las que a Sajambre se le conoce también con el nombre de "el Valle del Agua".
Tras recorrer Sajambre, el Sella busca salida hacia tierras asturianas tallando el espectacular desfiladero de Los Beyos, de 11 km de longitud entre peñones calizos.
Al Sella vierten sus aguas numerosos ríos y arroyos originados por las abundantes lluvias y por los deshielos de las duraderas nieves invernales de nuestras montañas. Así, en su recorrido por el municipio, recibe por la izquierda aguas del río Zalambral, al norte del pueblo de Vierdes. Por la derecha, sus principales afluentes son el río Berrunde y el Agüera, que discurre atravesando Soto y salva, antes de recibir las aguas del río San Pedro, un desnivel de unos 150 metros en una cascada con cuatro saltos.
Aparte de estos afluentes principales, existen multitud de riegas y riachuelos que vierten sus aguas al río Sella, entre las que destacan la riega del Infierno, la riega de la Bustia o la riega de la Rocica.
La erosión fluvial acontecida a lo largo de los siglos ha labrado desfiladeros, estrechas gargantas y profundos barrancos, excavado profundas cuevas y originando caprichosas formas de un gran atractivo para el visitante.
Existen además dispersas por todo el municipio diversas fuentes, como la Jontona en Pio; la Fuentona, la Llana y Quintana en Oseja o Las Fuentes en Soto. Estas fuentes fueron la única forma de abastecer de agua a las casas cuando no existía la red de abastecimiento actual y son, actualmente, una preciosa muestra de la arquitectura tradicional del Valle.
Fuera de la cuenca del río Sella, el municipio de Sajambre se continúa por el valle del río Dobra, en las laderas orientales del Pico Jario. El Dobra nace en la Collada de Dobres, en el límite entre Valdeón y Sajambre y discurre hacia tierras asturianas alcanzando el municipio de Amieva a través del Valle del Carombo, para posteriormente verter sus aguas en el río Sella. Estos tres municipios, Sajambre, Valdeón y Amieva, forman la Mancomunidad de Carombo, siendo los propietarios, con derechos de aprovechamiento, de este monte, declarado de Utililidad Pública por Real Orden de 19 de julio de 1907, e inscrito, con el nº 81, en el Catálogo de Montes de Utilidad Pública de Asturias.