司界蘭溪
雪霸國家公園範圍內河流的主要分水嶺是由大霸尖山南伸到大雪山的稜脊，以及由布秀蘭山向東延伸的支脈(武陵四秀)，這人字狀的稜線及西北側山脈將河流分屬4個流域，東北方為淡水河本源的集水區，東南側為大甲溪流域，西部為大安溪流域，西北隅榛山及樂山以北則屬於頭前溪支流上坪溪集水區。由於「森林是水的故鄉」，這廣茂的森林涵養了臺灣東部、北部及中部地區的飲用水源，使得高山集水區的水源涵養及水土保持顯得格外的重要。
淡水河的最上游——塔克金溪(泰崗溪)與薩克亞金溪(白石溪)，發源於大霸尖山一帶，大致是呈峽谷地形，曲流不甚彎曲，表現出最標準的上游性河谷。
大甲溪全長120餘公里，園區內的各支流如七家灣溪、司界蘭溪、志樂溪、匹亞桑溪等依序匯入，而成為臺灣最大溪谷之一。由於河流作用的盛行，可見到環山曲流、環流丘、佳陽沖積扇、河階、肩狀平坦稜等豐富的地形景觀。
全島最高水池——翠池觀
大安溪流域幾乎佔了雪霸園區一半的面積，從最上游的馬達拉溪蜿蜒西南而下，匯入雪山溪、大雪溪、北坑溪後，才稱為大安溪，之後無名溪、南坑溪會合後而出國家公園範圍。其中馬達拉溪的泰雅原名意思是「褐色的濁水」，只要看見那染成紅褐色的河中礫石均會感到無限的驚奇。
觀霧地區的觀霧瀑布與榛山瀑布，大鹿林道東線瀑布，以及武陵地區的桃山瀑布(又名煙聲瀑布)，展現出一種水文的魅力，其中桃山瀑布是位於桃山山腹，落差約50公尺，溪水順著階狀岩壁分為兩段式傾瀉為最。
注入七家灣溪的高山溪
臺灣高山湖泊並不多，本園區卻有傲人的全島最高水池——翠池(標高3,530公尺)，其位在雪山與翠池山間的鞍部附近，其他尚有位於翠池西北方大約700公尺處的下翠池、位於志佳陽大山東南坡的瓢簞池(又名乳羊池)、位於武陵四秀的新達池和品田池等。
由於雪霸園區幅員廣大，氣候上涵蓋暖溫帶、冷溫帶及亞寒帶。若以氣象分區而言，園區可分為西北山區和中部西側山區等二個氣候型：雪山主脊以北地區，包括大安溪流域及大漢溪上游屬於西北山區，主要受西南季風及颱風豪雨之影響，年雨量約在2,500毫米以下；雪山主脊以南，思源啞口以西之大甲溪流域屬中部西側山區，年雨量因地形而有顯著偏差。總括雪霸園區的年雨量平均約為1,500毫米到3,000毫米不等，降雨大約是每年的5月到10月。
雪霸園區的氣候形態易受到山區地形稜脈分布與溪谷水汽的影響，故四季的氣候變化十分鮮明：初春時分的春雨及梅雨季，使得山區的天氣常細雨霏霏或鎮日水霧瀰漫；夏季有颱風及對流性驟雨的侵襲；雖是秋高氣爽，但若有大陸的冷氣團南下時，氣溫會急遽下降，此時山區的清晨可見到白霜滿地，偶有降雪的可能；嚴寒的冬季使山區積雪通行不易，常形成冰雪封山的狀況。
山區天氣的日變化也很大，夏日縱然上午晴空萬里，午後多半雲霧蔽空，下雨機率在50％以上。夜晚氣溫驟降，尤其是3,000公尺以上的地區更是在0℃左右，在最熱的七月亦有零下3.2℃的記錄。