Основной водной артерией района является речная-озерная система река Оуланкайоки — озеро Паанаярви — река Оланга. Площадь ее водосбора составляет около шести тысяч квадратных километров. Из этой площади на финляндской стороне охраняется всего немногим более 20%, на российской — почти 100%. По гидрологическому районированию эта система относится к избыточно-влажной зоне Карельского округа. В соответствии с геологическим строением территории многочисленные озера, хорошо развитая речная сеть и выходы подземных вод тяготеют к местам тектонических разломов. Преобладающее число водоемов, ориентированных вдоль сдвигов скальных пород, имеет горный характер. Относительно ровные речные участки, на которых находятся озера или болота, сменяются порожистыми, а в местах сосредоточенного падения – водопадами.
Основу гидрографической сети составляют озеро Паанаярви и озерно-речные системы его притоков, а также реки Оланга и Нурис, впадающие в озеро Пяозеро.
Во всех малых реках, озерах и многочисленных ручейках вода исключительно чистая, все они подпитываются родниками.
Река Оуланкайоки в Оуланкском национальном парке по прямой имеет протяженность около 80 км. Поскольку вследствие выхода скальных пород река сильно петляет, то со всеми изгибами русла ее длина значительно больше. В верховье река имеет два притока: реки Савинайоки и Маанинкайоки. Перед государственной границей с Россией в нее впадает река Киткайоки, а на российской стороне, прямо перед озером Паанаярви – река Куусинкийоки.
В озеро Паанаярви, кроме реки Оуланкайоки, с севера впадают четыре реки: Совайоки, Мянтюйоки, Муткайоки, и с юга — Селъкяйоки. Общий водосбор этих рек 683 кв.км.
Продольный профиль рек обусловлен низкогорным рельефом местности. Они имеют многочисленные пороги и живописные водопады.
Интересны каскады водопадов на реках Мянтюйоки и Селькяйоки. Когда территория была заселена, на них действовали водяные мельницы. В настоящее время от них остались каменные мельничные круги и остатки фундаментов.
На реке Оланга, недалеко от современного устья, расположен порог Киваккакоски. Сейчас это самый крупный нерегулируемый порог в Карелии, его высота около 12 м, а среднегодовой сток воды составляет 63 кубометра в секунду. Всего на реке от Паанаярви до Пяозера 13 порогов, которые чередуются с живописными плесами.
Река Оланга впадает в озеро Пяозеро в его западной части на высоте 109,5 м над уровнем моря. После строительства дамбы Кумской ГЭС в начале 60-ых годов уровень воды в Пяозере поднялся на 9 м, и оно соединилось с Топозером в единое Кумское водохранилище площадью около 3000 кв.км. Приустьевая часть реки Оланга была затоплена вместе с полями и фундаментами строений переселенной деревни Олангасуу. Вдоль берегов на многих участках затопленным оказался прибрежный лес. Даже сейчас часть мертвых деревьев продолжает стоять в воде.
В национальном парке «Паанаярви» более 120 озер. Около 40 из них — площадью более 100 га. Озера расположены в основном группами в равнинных понижениях между горными массивами, на отметках 200-300 метров над уровнем моря. Озера Исо-Сиэппиярви и Соваярви находятся в водной системе реки Совайоки, а Селъкяярви — в системе реки Селькяйоки. Река Муткайоки берет свое начало из озер Исо- и Пиени-Нуупаярви.
Возникновение большинства озер связано с разломными понижениями земной поверхности в коренных породах. Они узкие, глубокие (более 30 м), линейно вытянутые и с крутыми скальными берегами. Нередко вдоль разломов вытянуты целые цепочки озер. Котловины озер Соваярви и Селъкяярви занимают естественные понижения в ядрах складок в коренных породах, их глубина намного меньше. Неглубокие озера встречаются в болотах, на склонах и даже на вершинах гор.
В крупном тектоническом раздвиге расположено одно из самых глубоких малых озер в мире — Паанаярви. Его длина 23.5 км, ширина 1-1.5 км и глубина до 128 м. Озеро русловое, через него проходят все потоки, берущие начало в бассейне реки Оуланкайоки в Финляндии, и вытекает река Оланга.
Наличие большого количества болот обусловлено характером рельефа и климатических особенностей. Общая площадь болот 12.4 тысяч га. Он в основном тяготеют к разломам и межгрядовым понижениям, многие из них имеют озерное происхождение.
Болота этого уголка Карелии очень специфичны и поэтому при болотном районировании здесь выделен отдельный болотный район, характеризирующийся заболоченностью 10-20% и согосподством северокарельских аапа и травяно-гипновых евтрофных болот. На довольно крутых склонах гряд и холмов в этом районе часто встречаются обильные выходы грунтовых вод, что обусловливает их заболачивание и развитие на них своеобразных «висячих» болот, впервые описанных Ауэром (Auer,1923) именно здесь. Широкое развитие «висячих» болот придает своеобразие ландшафтам парка. Их можно встретить, поднимаясь на гору Кивакка.
Висячие болота отличаются своеобразием видов редких растений. В их травяном ярусе доминируют пухоносы альпийский и дернистый, осоки волосистая и двудомная, молиния голубая, жирянка обыкновенная.
Питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Разгрузка происходит в поверхностные водоемы – озера, реки, болота. Движение подземных вод направлено от водоразделов в сторону ближайшей дернины. Воды, как правило, безнапорные, слабые напоры отмечаются при наличии локальных глинистых водоупоров. Напорные воды открываются скважинами, в которых отмечается самоизлив, или восходящими родниками. На территории парка известно расположение 30 родников.