Det er utviklet mange matematiske modeller for å beskrive de ulike hydrologiske prosesser i naturen. De mest teoretiske modellene bygger på detaljert kunnskap om de fysiske prosesser. Slike modeller benytter vanligvis mer eller mindre kompliserte differentialligninger i sine beregninger. En enklere type av modeller er de s.k. karmodellene. Her beskrives deler av det hydrologiske kretsløp som lineære magasin (kar), hvor avløpet fra et kar er direkte proporsjonalt med innholdet.

For tilsigs-prognosering og flomvarsling er den mest brukte modellen i Skandinavia den svenske HBV-modellen. Denne modellen er bygget opp av flere enkle kar. Noen av disse er lineære (øvre og nedre grunnvannsone) og andre har en mer sofistikert beskrivelse av de hydrologiske prosessene (snø og markvann). Modellen benytter nedbør og temperatur som inngangsvariable; temperatur for beregning av snøens akkumulasjon og smelting. HBV-modellen gir en meget forenklet beskrivelse av naturen og må alltid kalibreres mot observerte avløpsdata.

I større vassdrag brukes ofte flere slike HBV-modeller for å beskrive variasjonene i avløp fra ulike delfelt. I slike tilfeller etableres vanligvis en overordnet vassdragsmodell, som summerer bidragene fra de enkelte delfelt og "ruter" disse nedover i vassdraget (også kalt routing). Ved modellering av et regulert vassdrag må en også inkludere reguleringsmagasinene i modellen. Dette for å kunne ta hensyn til at magasinene vil påvirke avløpet, avhengig av de tappedirektiver som til enhver tid gis og planlegges.

De skisserte modelltypene er typiske vannbalansemodeller, som vesentlig beregner vannføringer ulike steder i et vassdrag. Hvis en i tillegg ønsker opplysninger om lokale vannstander og vanndekket areal, f.eks. oversvømmingsvarsler, må en beskrive vannstrengen ved hjelp av hydrauliske modeller. Da kan transporttider og vannlinjer beregnes på et fysisk mer korrekt grunnlag.