Hệ thống sông Thái Bình bao gồm các con sông liên kết trực tiếp với sông Thái Bình, cùng với các phụ lưu và chi lưu của nó.
Các phụ lưu chủ yếu bao gồm sông Cầu, sông Thương và sông Lục Nam ở nguồn, với tổng chiều dài khoảng 1.650 km và diện tích lưu vực khoảng 10.000 km². Hệ thống sông này cũng tiếp nhận một phần nước từ sông Hồng trước khi đổ ra biển Đông.
Lưu vực sông

Sông Cầu dài 290 km, bắt nguồn từ Bắc Kạn và chảy qua Thái Nguyên, đồng thời tạo thành ranh giới giữa Bắc Giang và Bắc Ninh. Sông Thương, với nguồn gốc từ Lạng Sơn, chảy qua các huyện Lạng Giang, Yên Thế, Tân Yên, thành phố Bắc Giang và Yên Dũng, dài khoảng 80 km. Sông Lục Nam, phát sinh từ Đình Lập (Lạng Sơn), chảy qua các huyện Sơn Động, Lục Ngạn, và Lục Nam (Bắc Giang), có tổng chiều dài hơn 200 km.
Tại điểm hợp lưu của sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam, Đuống, Kinh Thầy và nhánh chính của sông Thái Bình ở Chí Linh, người ta gọi là sông Lục Đầu hoặc Lục Đầu Giang (trước đây gọi là sông Phù Lan), vì đây là nơi hội tụ của sáu con sông. Dòng chính của hệ thống, chảy qua tỉnh Hải Dương và đổ ra biển qua cửa Thái Bình (nằm giữa ranh giới của hai huyện Tiên Lãng và Thái Thụy), dài 385 km, qua hai huyện Tiên Lãng và Vĩnh Bảo của thành phố Hải Phòng. Hệ thống sông này còn được gọi là hệ thống sông Hồng-Thái Bình vì nó kết nối với sông Hồng qua sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu), tạo ra đồng bằng Bắc Bộ và giúp giảm thiệt hại do lũ lụt ở hạ lưu sông Hồng.
Các nhánh phụ


Các nhánh phụ đổ ra biển của hệ thống sông Thái Bình đều nằm về phía bờ trái của sông Thái Bình:
- Sông Kinh Thầy, một nhánh của hệ thống sông Thái Bình, bắt đầu từ Phả Lại và đến Thạch Liên chia thành nhánh nhỏ hơn là sông Kinh Môn, cả hai nhánh sau đó hợp nhất thành sông Cấm, chảy qua trung tâm Hải Phòng. Trước đây, sông Cấm đổ ra biển qua cửa Cấm, nhưng từ năm 1978, sau khi đập Đình Vũ được xây dựng, sông Cấm không còn đổ ra biển mà hợp lưu với sông Bạch Đằng, đổ qua cửa Nam Triệu.
- Sông Lạch Tray, dài 45 km, là nhánh của sông Kinh Thầy từ Kênh Đồng, kết nối với sông Văn Úc, chảy qua Hải Phòng, qua quận Kiến An và huyện An Dương, ra biển qua cửa Lạch Tray.
- Sông Văn Úc có một nhánh là sông Hương (không phải sông Hương ở Huế), một đoạn của sông này còn được gọi là sông Rạng, đổ ra cửa Văn Úc.
- Nhánh cuối cùng của hệ thống sông Thái Bình là sông Đá Bạch - Bạch Đằng, dài 40 km, là một nhánh của sông Kinh Thầy, với cửa sông rộng lớn gọi là cửa Nam Triệu, nằm trên ranh giới giữa tỉnh Quảng Ninh và thành phố Hải Phòng.
Ngoài ra, còn có các nhánh phụ khác như sông Lai Vu, sông Giá (Thủy Nguyên), sông Đa Độ (Kiến An-Đồ Sơn), sông Tam Bạc, v.v.
Sông Thái Bình
Dòng chính của sông Thái Bình được chia thành hai đoạn.
Đoạn đầu tiên bắt đầu từ ngã ba Lác, phía dưới phường Phả Lại, thành phố Chí Linh, tỉnh Hải Dương, chảy qua Hải Dương và kết thúc tại ngã ba Mía, dài khoảng 64 km.
Đoạn thứ hai bắt đầu từ Quý Cao (xã Nguyên Giáp, huyện Tứ Kỳ), nơi sông Luộc kết thúc, tiếp tục chảy qua thành phố Hải Phòng, dọc theo ranh giới huyện Vĩnh Bảo với huyện Tiên Lãng, và cuối cùng đổ ra cửa Thái Bình, nằm trên ranh giới giữa Hải Phòng và Thái Bình, với chiều dài khoảng 36 km. Dòng sông Thái Bình chủ yếu chảy ven theo tỉnh Thái Bình ở đoạn cuối mà không xuyên qua tỉnh này. Phần thuộc tỉnh Thái Bình của hệ thống là sông Luộc và một nhánh nhỏ là sông Hóa.
Hai đoạn này được nối với sông Văn Úc qua ba nhánh nhỏ, mỗi nhánh dài khoảng 3 km, gồm sông Cầu Xe, sông Mía và sông Kênh Khê.
Lưu lượng
Vì phần lớn lưu vực của hệ thống sông Thái Bình bắt nguồn từ các vùng đồi trọc miền Đông Bắc với đất đai dễ bị xói mòn, nên nước sông thường xuyên đục và chứa nhiều phù sa. Lòng sông rộng, ít dốc, đáy nông khiến sông Thái Bình là một trong những sông dễ bị bồi lấp nhất. Theo số liệu thực tế, mức nước lũ lớn nhất tại Phả Lại vào năm 1971 đạt 7,21 m, với lưu lượng lớn nhất tại Cát Khê, Bến Bình là 5.000 m³. Lưu lượng nước hàng năm khoảng 53 tỷ m³.