Το ΥΔ Θεσσαλίας περιλαμβάνει δύο κύριες υδρολογικές λεκάνες ποταμών (ΛΑΠ) : του Πηνειού και των ρεμάτων Αλμυρού – Πηλίου. Η συνολική έκταση του διαμερίσματος είναι 13.136,57 km²
Μια λεκάνη απορροής είναι μια περιοχή όπου το νερό της βροχής και άλλες υδάτινες ροές κατευθύνονται φυσικά προς ένα κοινό ρέμα, ποταμό, λίμνη ή άλλο υδάτινο σώμα. Καθώς η βροχή πέφτει σε λόφους και βουνά, το νερό ρέει προς τα κάτω και ενώνεται με μικρότερα ρέματα προτού καταλήξει σε μεγαλύτερα υδάτινα ρεύματα.
Το σχήμα, η βλάστηση, το έδαφος και η κλίση μιας λεκάνης απορροής επηρεάζουν την ταχύτητα κίνησης του νερού και την ποσότητα του νερού που εισρέει στα ρέματα. Οι υγιείς λεκάνες απορροής συμβάλλουν στον περιορισμό της διάβρωσης, στη στήριξη των οικοσυστημάτων, στην αναπλήρωση των υπόγειων υδάτων και στη διατήρηση καθαρών και αξιόπιστων αποθεμάτων νερού.
Η προστασία των δασών, των υγροτόπων, των εδαφών και των υδάτινων ρευμάτων είναι καθοριστικής σημασίας για τη διατήρηση υγιών λεκανών απορροής και βιώσιμων υδάτινων πόρων.
Λεκάνη Απορροής Πηνειού (EL16) : Ο ποταμός Πηνειός, που πηγάζει από την Πίνδο, διασχίζει όλη τη Θεσσαλική Πεδιάδα και καταλήγει στο Αιγαίο Πέλαγος. Έχει μήκος 262 km περίπου και σε αυτόν συμβάλλουν όλα σχεδόν τα ποτάμια υδατικά συστήματα της ΛΑΠ Πηνειού.
Οι κυριότεροι παραπόταμοί του είναι προς τα νότια ο Ενιπέας (132 km), ο Φαρσαλιώτης (38 km), ο Σοφαδίτης (56 km) και ο Καλέντζης (58 km), προς τα δυτικά-νοτιοδυτικά ο Πάμισος (25 km) , και ο Πορταϊκός (24 km), και στο βόρειο μέρος ο Ληθαίος (63 km), ο Νεοχωρίτης (27 km) και ο Τιταρήσιος (96 km). Επιπλέον, στη ΛΑΠ Πηνειού περιλαμβάνονται σημαντικές λίμνες όπως η Τεχνητή Λίμνη Κάρλας (34.9 km²), η Τεχνητή Λίμνη Σμοκόβου (9.9 km²) και η Τεχνητή Λίμνη Αργυροπουλίου (0.5 km²). Επισημαίνεται ωστόσο ότι η υπολεκάνη του π. Ταυρωπού (Μέγδοβα), ανάντη του φράγματος Πλαστήρα, έκτασης 161 km², αν και υδρολογικά ανήκει σε αυτή του Αχελώου, από διαχειριστική σκοπιά εντάσσεται σε αυτή του Πηνειού (δηλαδή στο Υδατικό Διαμέρισμα 08), καθώς το σύνολο, πρακτικά, των υδατικών πόρων της εκτρέπονται προς την πλευρά της Θεσσαλίας.
Λεκάνη Απορροής Ρεμάτων Αλμυρού – Πηλίου (EL17) : Στη ΛΑΠ του Αλμυρού – Πηλίου του υδατικού διαμερίσματος Θεσσαλίας, δεν υπάρχουν μεγάλοι ποταμοί αλλά ένα σύνολο ρεμάτων που καταλήγουν ως επί το πλείστον στον Παγασητικό κόλπο.
