乌苏市虽然处于半干旱的大陆性气候带，但由于境内南部海拔高程超过4000米，受垂直气候带的影响，相对湿度较大，成为干旱区域的一个“湿岛”。当来自大西洋和北冰洋的湿润气流通过阿拉山口和额敏河谷进入新疆往南运动时，受到天山的阻挡。在湿润气流顺着天山北坡向高处转移的过程中，与“湿岛”的寒湿空气相结合，转化为大气降水，成为乌苏市水的源泉。
    依连哈比尔尕山和婆罗科努山在乌苏境内的北坡冰川有1016.45平方公里，其中299.7平方公里融水绝大部分补给安集海河流出，其余融水直接补给市内各河流、溪沟。其中奎屯河、四棵树河、古尔图河3条大河为12.472亿立方米，11条无尾小溪沟为1.186亿立方米，安集海河上游乌苏境内的4条支流为0.210亿立方米。降水主要集中在夏季，河水流量随气温升高而增大。境内地下水分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、冻结层地下水和矿水5种基本类型。其中松散岩类孔隙水分布范围最广，是开发利用的重点。