Puszcza Białowieska leży w dorzeczu Narwi i Bugu. Do głównych rzek puszczy zaliczamy Narewkę, która zbiera wody ze wschodnich, centralnych i północnych obszarów Puszczy Białowieskiej i odprowadza je do Narwi. Najważniejsze dopływy Narewki to: Łutownica, Orłówka, Hwoźna, Braszcza i Jabłoniówka. Drugą co do wielkości rzeką jest Leśna prawa, która zbiera wody z południowo-wschodniej części Puszczy Białowieskiej i odprowadza je do Bugu. Najważniejsze dopływy rzeki Leśnej to: Chwiszcze, Perebel i Przewłoka. Poza wyżej wymienionymi potokami, znajduje się tu szereg mniejszych strumieni i okresowych cieków w liczbie 78. W polskiej części Puszczy znajdują się trzy kompleksy sztucznych zbiorników wodnych: Topiło (16,7 ha), Białowieża (5 ha), Gnilec (3 ha).
Puszcza Białowieska leży w strefie klimatu umiarkowanego przejściowego, stosunkowo chłodnego i z dominacją wpływów kontynentalnych, w związku z czym w pewnych klasyfikacjach bywa on określany jako klimat leśny subkontynentalny strefy umiarkowanie chłodnej. Według danych z Białowieskiego Parku Narodowego średnia roczna temperatura powietrza w latach 1955–2001 wynosiła 6,8 °C. Odnotowane temperatury mieściły się w zakresie od +34,5 °C do –38,7 °C (rekord zimna w 1950 r.). Średnia ilość opadów wynosi 633 mm na rok, z czego większość w sezonie wegetacyjnym, który względem Polski zachodniej jest krótszy o miesiąc i trwa 205 dni. Zima natomiast jest długa, z pokrywą śnieżną utrzymującą się średnio ponad 92 dni.
