Водные ресурсы региона отличаются богатством и разнообразием. Они включают: побережье Карского моря, многочисленные заливы и губы, реки, озера, болота и подземные воды. Обская губа — залив Карского моря, является одним из крупнейших морских заливов российской Арктики, его площадь — 44 км². На территории округа расположено около 300 тыс. озер и 48 тыс. рек, самыми крупными из которых являются Обь в ее устье, а также реки Надым, Таз и Пур. Река Обь, одна из самых протяженных в России, течет в пределах округа двумя мощными рукавами. Наличие озер большинство из которых ледникового происхождения, — одна из характерных черт ландшафта Ямало-Ненецкого АО. Подземные воды характеризуются огромным артезианским бассейном площадью 3 млн км², включающим запасы термальных вод.