Каратузский район расположен в бассейне р. Амыл – левого притока р. Туба. По его территории также протекает р. Казыр.
Амыл (спокойная – тюрк.), левый приток р. Туба. Свое начало берет с западных склонов хребта Тыстыг-Хем. Пересекает район с востока на запад. Крупные притоки: Тайгиш, Шадат, Бесь. В устье река имеет высоту 292 м над уровнем моря. В верхнем течении быстрая, с порогами, а в нижнем – спокойная, размеренная.
Казыр (бурная – тюрк.) берет свое начало в центральной части Восточного Саяна с юго-западного склона горы Ары-Даг (2796 м над уровнем моря), которая находится на хребте Хонда-Джуглымский. По территории района протекает около 80 км и в своем нижнем течении сливается с Амылом. Река быстрая и своенравная, с множеством порогов и скал, выступающих в реку. Разлив реки (идет коренная вода) в конце мая – начале июня.
Озер в районе сравнительно немного. Чаще всего они встречаются в верховьях р. Амыл и низовой тайге бассейна Казыра. В первом случае это небольшие горные, но глубоководные озера, расположенные среди горных вершин и имеющие стоки, которые образуют речки и ручьи. В таежной и лесостепной зонах озера также небольшие и к тому же мелководные.
Более известен район своими болотами. Самое большое из них – Сохатинское, которое называют еще и Шадатским, поскольку расположено оно в устье р. Шадат. К большим болотам относятся также Моторское, Тюхтетское, Верхнекужебарское и Нижнекужебарское (названия от ближайших населенных пунктов), известные обилием на них клюквы, которую собирают не только местные жители, но и приезжие из других районов.