La pioggia tende a diminuire da nord verso sud con punte superiori ai 1000 mm. annui, sul Monte Amiata. La media valle dell' Orcia è zona piuttosto poco piovosa con precipitazioni che oscillano tra i 700 e gli 800 mm. 

In generale, le precipitazioni presentano un massimo secondario in primavera (aprile e maggio), non discostandosi dall' andamento tipico toscano. Abbastanza frequenti i temporali estivi, spesso temporali di calore pomeridiani, dovuti al riscaldamento del suolo, specie nella parte del Senese. La neve è molto scarsa; spesso si tratta di spruzzate che imbiancano per brevi periodi il paesaggio. Di copertura nevosa vera e propria si può parlare solo per i rilievi più elevati e, soprattutto, per il Monte Amiata ove il manto raggiunge spessori considerevoli, superiori al metro.

L' Orcia è affluente del fiume Ombrone assieme al Merse, all' Arbia e all' Asso. Trattasi di corsi d' acqua capricciosi le cui portate dipendono dal mutevole andamento delle precipitazioni. Infatti un pò tutti hanno un regime irregolare, con lunghe magre, particolarmente accentuate nel periodo estivo, e piene più o meno repentine di breve durata, in relazione col regime delle piogge.
Tali caratteristiche che pongono gravi limiti alla utilizzazione economica e accentuano la pericolosità delle acque, dipendono dalla prevalenza di terreni impermeabili sui quali le acque scorrono rapidamente. 

Ad accentuare la pericolosità delle piene contribuisce il depauperamento del manto vegetale, per la secolare distruzione di boschi dovuta al taglio per il legname e agli incendi. Attualmente una attenta pianificazione del taglio del bosco e l' utilizzo del suolo permette di mantenere una situazione di giusto equilibrio idrogeologico.

Particolare attenzione deve essere posta anche all' erosione del suolo, operata da fiumi e torrenti. Nel bacino dell' Ombrone i corsi d' acqua principali sono caratterizzati da un tratto iniziale in forte pendenza che ne accentua le capacità erosive.

In qualche caso, come in quello del' Orcia, la natura dei terreni attraversati (sabbie e argille) aumenta considerevolmente le torbide. Successivamente segue un tratto a debole pendenza, dove prevale l' azione di sedimentazione, utilizzata un tempo nelle bonifiche per colmata delle zone litoranee.