桑干河是永定河的上游，永定河属海河水系，其正源为发源于山西省宁武县管涔山北麓庙儿沟的恢河，恢河与源子河在朔州市马邑村汇合后称桑干河。桑干河在阳高县南徐庄流出山西省境，在河北省怀来县朱管屯与洋河汇合称永定河，此后流经河北省和北京市，在天津市汇入海河流入渤海。

桑干河上游地处山西省北部，流经的行政区划主要是今朔州市的大部分。其中流经应县的河段长约35.1公里(经Google earth测量)，为应县境内最大的河流，也是最古老的河流。

桑干河河长437公里，流域面积21395平方公里。

桑干河，上游有源子河与恢河两条河流。主流恢河发源于宁武县管涔山分水岭村，源子河发源于左云县截口山。两河在朔州市朔城区马邑村汇合后称桑干河。相传因每年桑甚成熟时河水干涸而得名。它流经朔城区、山阴县、应县、怀仁市、云州区，入册田水库，至阳高县尉家小堡村进入河北省。山西境为河长252公里，流域面积15464平方公里。阳高县大辛庄站多年平均天然径流量7.73亿立方米，年平均含沙量每立方米52.4公斤。河流所经各县，南北为山区，中部为地势平坦的大同盆地。在朔州市境内长124公里，多年平均清水流量4.51立方米/秒。

恢河，源于宁武管涔山，到朔城区神头泉汇入桑干河，境内长度74公里，流域面积1273平方公里，清水流量0.38立方米/秒。

桑干河相传每年桑椹熟时河水干涸，故名。发源于山西高原管涔山北麓，东北流经大同盆地，纳黄水河、浑河、御河及二道河，东北流入河北省境内，于阳原县化稍营镇钱家沙洼接纳壶流河，东北流经宣化区、涿鹿县，至涿鹿县、怀来县交界处的朱官屯与夹河村之间与洋河汇合后入官厅水库，出官厅水库后始称永定河，再流经三家店进入平原，下泄至屈家店和北运河汇合。1970年自屈家店以下开挖永定新河，永定河水由永定新河直接入海。

桑干河发源于山西省宁武县管岑山，流经阳原、宣化、涿鹿、 怀来等县，至怀来县朱官屯附近与洋河汇合，汇合后称永定河。注入官厅水库，注入北京市。主河道在张家口市境内长160千米。桑干河、洋河是我市的主要水源地，是经济发展和城镇建设的命脉。

桑干河在朔城区马邑村有神头泉出露，平均流量每秒7.4立方米。桑干河历史上最大洪水发生于清光绪二十二年(1896)，在桑干河出省境尉家小堡村，洪峰5040立方米/秒。清同治十年(1871)农历七月下旬连雨十日，亦为大水，尉家小堡洪峰4190立方米/秒。民国28年(1939)水淹天津，桑干河亦为大水，暴雨中心在浑源，水淹浑源县城。

主要支流有黄水河、浑河、御河等。如以桑干河为永定河正源，则洋河也是桑干河支流。如以恢河为桑干河正源，则源子河也为桑干河支流。

黄水河，古称治水，又名湿水。发源于朔城区王万庄，经朔城区、山阴县到应县，在应县屹塔村汇入桑干河。境内长度103公里，流域面积3630平方公里，清水流量0.13立方米/秒～1.5立方米/秒。河水浑如黄汤，河床无定，历史上对两岸农田、村庄危害很大。近年水量减少，经常干涸无水。

浑河，古称崞川水，源于浑源县崞山(南岭关)。从浑源流经应县，到怀仁市新桥村汇入桑干河。境内全长42公里，清水流量0.45立方米/秒。因有应县镇子梁水库蓄水拦河，对农田生产较为有利。

元子河（源子河）， 源于左云县杏子堡村，经右玉县、平鲁区，在朔城区汇入桑干河，境内长度133公里，流域面积1068平方公里，清水流量0.2立方米/秒，为季节性河流。

御河，发源于内蒙古自治区丰镇县西北，称饮马河，在大同市镇羌堡进入山西境内，称御河。御河干流长155公里，在大同市吉家庄汇入桑干河，流域总面积5503平方公里，其中在内蒙古境内有2376平方公里。

神头泉群，是山西高原著名的岩溶大型泉群之一，在恢河、源子河交汇处出露，直接补给桑干河。泉群分布面积5平方公里，泉水流量多，年平均(1956年～1984年)达8.15立方米/秒，最大流量可达9.78立方米/秒。2010年代平均流量仅为6.54立方米/秒。

壶流河，古名祁夷水。《元和郡县志》：“河上槽狭，下流阔，有似葫芦也。”故名葫芦河，清代改称壶流河。壶流河源于恒山山脉北麓山西省广灵县望狐村的莎泉，自西向东，经望狐、南村、壶泉镇、加斗、蕉山，由暖泉镇流入蔚县境，至留南堡汇入源于南马庄村神水泉之水，经蔚州镇、代王城、西合营等地，汇入十字河、清水河、定安河，经北水泉镇西，向北流入阳原境，再由小渡口村汇入桑干河。壶流河全长128千米，流域面积4315平方千米，县境内长73千米，流域面积2952平方千米。壶流河蔚县段的主要支流有清水河、定安河、十字河等，除此之外，还有多眼泉水注入。结冰期4个月左右。

洋河，古称修水、于延水，辽代称羊河，明代演变为洋河。因支流众多，水量丰沛，水流汪洋，故名洋河。上源有东、西、南洋河三条支流，以东洋河最长，达135公里。三支流与怀安、万全县交界地区汇合后，其下始称洋河，向东流经怀安，万全县，折东南经宣化、张家口市下花园区，至涿鹿、怀来交界处汇入桑干河，此段长118公里，全长253公里。流域面积15470平方公里。河床宽150—1100米，多年平均流量17.6立方米/秒，属海河水系。为常年河，年内冰期70天。主要支流有清水河等。

桑干河是永定河上游的主要支流，山西境内河长252公里。据《山西通志》、《朔州志》、《应县志》等历史文献记载，桑干河历史上就进行过多次整治。建国以后，对重点河段进行疏治加固，沿河修筑了一些护村堤堰，但未形成完整的堤防，只有支流十里河、口泉河、浑河、唐峪、御河、大峪河等修了护城堤坝，如口泉河流经矿区段，河长37.4公里，建砌石堤坝或护岸工程46.7公里，防洪标准50年一遇，主要地段达到100年一遇。十里河矿区段河长38.6公里，已建成固定砌石堤坝和护岸27.4公里，防洪标准达到20-50年一遇。

流域内共建成大中型水库8座，册田水库几乎控制全流域面积，但其防洪效益主要为下游河北、北京市缓洪拦沙。浑河建有恒山、镇子梁两座中型水库，对浑源县城和桑干河防洪作用甚大。十里河在左云县城建有十里河中型水库一座，也为下游大同市沿河矿区减轻洪水起到一定作用。东榆林水库是桑干河干流上游一座库容6500万立方米较大的中型水库，该库控制恢河、源子河等洪水，对下游防洪起到重要作用。此外，大同赵家窑水库、怀仁下米庄水库也控制了一部分洪水。

东榆林水库，主坝处于朔州市城区神头镇东榆林村东南的桑干河上游干流上。控制面积3430平方公里，流域长度103.5公里。其上游有源子源、恢河、七里河三大支流，恢河与七里河先汇入太平窑水库，出库后不足10公里再注入其中。由主坝、副坝、泄水闸三分部组成，是一座设计特殊的无溢洪道水库。主坝系均质土坝，最大坝高15.5米，长1135米。于1978年建成，次年发生垮坝，为病险库。原为空库度讯，主蓄神头泉清水。1999年起来水全蓄。2005年除险加固。总库容6500万立方米，20世纪，每年向下游及周边供水8000万立方米以上。21世纪初，由于来水减少，每年供水减至6000多万立方米，是一座供水量大于总库容的水库，供水范围是桑干河灌区（设计面积400公顷）、民生渠灌区（设计面积333公顷）、薜家营灌区（设计面积2533公顷）、沿库边及下游河边乡村高灌50多座（灌溉面积6667公顷），总计40533公顷。同时为朔城区、山阴、应县三区县供水。2007年10月获批山西省首批省级水利风景区，2008年为朔州市桑干河湿地国家级水利风景区。

册田水库，位于山西省大同市云州区许堡乡。始建于1958午3月，它横截桑干河水，东西长30公里，下游为乌龙峡，长约10公里，兴利水位面积约5万亩，蓄水8600万立方米，可浇灌农田40多万亩，年产鱼五万多公斤。水库的主要任务是为下游官厅水库拦沙、防洪和渡汛，还起着保障首都防洪安全的重要作用，同时还担负着大同城市部分工业和生活用水及农田灌溉。册田水库风景秀丽，景点众多，空气清新，交通便利，集住宿、餐饮、休闲港与一体，是不可多得休闲旅游胜地。册田水库位于桑干河中上游，山西省大同市云州区西册田村北、属海河流域永定河水系，距大同市60公里。

官厅水库修建于1951年10月，是新中国成立后修建的第一座大型水库，设计总库容量41.6亿立方米，实际库容22.7亿立方米，库容3亿立方米，最高水位482.8米，正常蓄水位不超479米，水面（479米时）175平方公里，其中89%在怀来境内，总有效灌溉面积130万亩。

壶流河水库，位于张家口市蔚县暖泉镇东、蔚县县城西南6千米处，是海河流域永定河水系桑干河支流壶流河中上游的重要中型水利枢纽工程，水库总库容8700万立方米，控制流域面积1749平方千。水库以防洪效益为主，结合灌溉，兼有水产养殖、旅游等综合效益。水库主要枢纽建筑物有拦河坝、泄洪洞、溢洪道和南北灌溉输水洞。壶流河水库于1971年9月开工兴建，1973年10月主体工程完工，除溢洪道未实施外，其余工程均按设计规模建成。1979年10月安全加固第一期(即溢洪道工程)工程开工，1982年10月完成。1973~2008年，水库共拦蓄50立方米/秒以上洪峰15次，其中最大一次是1985年8月，最大人库洪峰313立方米/秒，1990年水库弃水，泄洪洞最大泄量20立方米/秒。2004年秋季，为官厅水库输水1200万立方米，2005年秋季，为官厅水库输水1800万立方米，缓解了北京地区水资源的不足。2001年10月27日，经水利部大坝安全管理中心核查为三类坝(即病险库)02002年10月水库除险加固工程开工，2004年10月主体工程完工，2005年7月工程全部竣工。工程实施后，水库能按正常蓄水位蓄水运行，水库的防洪标准满足千年一遇校核，观测、管理设施等得到了改善，坝后排水沟渗水量明显减少，水库下游沼泽化现象基本消失。从测压管和变形观测点更新后初期观测、分析结果以及工程投入运行一年多各部位运行情况看，工程运行正常。

大同桑干河灌区，位于山西省大同盆地的西南部，地处朔州市山阴县和应县境内，控制总土地面积61.7万亩，设计灌溉面积36万亩，是山西省大型自然灌区之一，灌区水源为桑干河干流上的东榆林水库，其入库径流为桑干河地表径流和神头泉下泄水。朔州市利用桑干河水源建有8处大中型灌区，分别是：始建于1939年的桑干河灌区。设计灌溉面积2.4万公顷，为朔州市的大型灌区。始建于1875年的恢河灌区，设计灌溉面积1.23万公顷，属中型清洪水灌区。始建于1952年的裕民灌区，设计灌溉面积2800公顷，属中型清洪水灌区。始建于1976年的腊壑口灌区，设计灌溉面积2866公顷，属中型纯洪水灌区。始建于1960年的神头杨水站灌区，设计灌溉面积2400公顷，属中型泵站灌区。始建于1975年的南高灌泵站灌区，是山阴县管理，设计灌溉面积3933公顷。始建于1958年的民生灌区，属山阴县，设计灌溉面积2147公顷，是中型清洪水两用灌区。始建于1975年的薛家营灌区，属应县管理，设计灌溉面积3333公顷，为中型清水灌区。

册田灌区，是山西省内大型灌区之一，横跨山西、河北两省，其中山西部分位于大同盆地东南部，灌区西起大同县固定桥，江至阳高县东柳营，北界阳高县马家皂，南邻太行山脉六棱山脚。灌区东西长约51公里，南北宽约12－22公里。灌区设计总灌溉面积3.023万公顷，其中山西部分2.003公顷。

涿鹿县桑干河灌区，包括涿鹿县境内惠民北渠、劈山大渠、桑南灌区、七一大渠灌区等。引水自桑干河。惠民北渠，位于桑干河北，是在明永乐年间修建的桑干河系惠民渠，万历三年(1575年)，建中惠民渠，万历八年(1590年)开挖的北平坡渠和明天启六年建洋河水系的石洞渠及后清光绪二十五年建千家渠的基础上。1954年9月，将三渠并为惠民北渠，相对桑干河南惠民南渠而称。1956年春，将合顺渠、三益渠并入惠民北渠。1959年1月在灌区内开始建万亩丰产方，对渠道裁弯取直进行整理。1965年，国家投资15.72万元，建成合益坝和尹文屯三条排涝沟，基本形成了灌区排涝网条，并重修干渠10多公里，建节制闸19个，引水口31个，1974年以来灌区全面改建。经过开挖、扩建，延伸、整理后的灌渠主要由惠民北渠总主干渠及一，二，三、四千渠组成，1988年干渠总长72.26公里，支渠118条，长89.4公里，有建筑物1551座，灌溉面积达96176亩，8个乡的65个村。8个国营单位受益，全灌区农田面积占全县1／6，粮食产量却占全县1／3，平均亩产千斤以上。

劈山大渠，位于县城西，东北一西南走向，由武家沟乡的东窑村西南桑干河引水，流经满子营、傅家湾、李家圪塔入西二堡乡，经谭庄、郝家坡入张家堡乡境，至黄土港北，全长42公里。

桑南灌区，位于桑干河南。它是在明万历十年(1582年)建的百户渠，清同治八年(1869年)建的长盛渠，清光绪元年(1875年)建的东顺渠及1946年建的三顺渠的基础上，经建国后的扩建、延伸而成。1951年，4渠合称为惠民南渠。1958年，将原百户渠、长盛渠延长，水浇地面积由原1.18万亩扩展到2万多亩。1966年4月，建成桑南大渠，1969年10月，与惠民南渠合并称桑南灌区。至此，桑南灌区共有3条干渠，即：桑南一、二、三干渠。1988年，3条千渠总长79.16公里，总引水能力达20立方米／秒，支渠179条，渠上建筑物3387座，总灌溉面积5.98万亩，9个乡的93个村受益。

七一大渠灌区，该渠位于桑南灌区南，地处山地丘陵区，孙家沟乡溪源村以西为东西走向，入保岱乡后为西北至东南走向，入栾庄乡后大体为东西走向。该渠由河南寺西与宣化县界处桑干河引水，引水口(底面)高程660米。1976年修建的引水坝按1500立方米／秒标准，构筑钢筋混凝土内装铅丝笼外壳坝。因质量不高，后又在下游重下基深10米钢筋混凝土柱桩，补修钢筋混凝土链块。1988年底，该渠灌溉面积5.8万亩，进水量8.5立方米／秒，受益8个乡45个村。粮食亩产达400公斤以上。