I più importanti corsi dell'acqua sono il Cecina, il Cornia, il Pecora, il Bruna, il Merse. Il Cecina, che va a sfociare sulla costa tirrenica dopo un percorso di 75 km., attraversa il territorio del Cornune di Montieri in cui riceve l'affluente Pavone. Il Cornia, che nasce dal Sasso Pisano e sfocia presso Piombino, delimita per un breve tratto il confine tra il Comune di Monterotondo e la provincia di Pisa. Scendendo verso sud riceve le acque del Milia. Il Merse, alimentato dalle acque del torrente Mersino, nasce presso Boccheggiano, entra nel territorio della provincia di Siena e va a sfociare nel fiume Ombrone. Presso Monte Arsenti, a nord di Massa, nasce il fiume Pecora, alimentato da numerosi affluenti, che sfocia presso il Puntone (a sud di Follonica). A sud del colle su cui sorge Massa Marittima, in piccole depressioni di origine carsica, si trovano la sorgente delle Venelle e quella dell'Aronna. Le acque, raccolte da un canale artificiale, vengono convogliate verso Valpiana, dove formano la Gora delle Ferriere. Il fiume Bruna si origina dalle pendici collinari del Lago dell'Accesa, e riceve come affluenti il Carsia e lo Zanca (più in basso Noni). Il Lago dell'Accesa, a circa 10 km. da Massa Marittima, e una dolina di origine carsica, originatasi in seguito all'azione erosiva esercitata, sulle rocce calcaree (facilmente erodibili) del terreno sottostante, dalle sorgenti delle Venelle e dell'Aronna. I fenomeni carsici hanno determinato inoltre la formazione del Piano della Ghirlanda e di Pian dei Mucini.