在干燥的塔里木盆地的北部，发育了一条中国最长的内陆河——塔里木河，它仅次于伏尔加河，为世界第二大内陆河。属于塔里木河水系的河流几乎包括整个塔里木盆地，它是新疆南部一条重要的河流。
“塔里木河”是维吾尔语的汉语译名，是河流汇集的意思。内陆河，又称内流河，是指不流入海洋的河流。它多分布于大陆内部干旱地区，因降雨少，沿河蒸发量大，河水多消失于沙漠或注入内陆湖盆。塔里木河就属于这类河流，它被群山环抱，流域内气候干燥，雨量稀少。
塔里木河若以叶尔羌河源起算，全长为2179公里，其长度仅次于长江、黄河、黑龙江，居全国第四位，流域面积19.80万平方公里，比珠江水系中的西江还长。干流沿着盆地北部边缘由西向东蜿蜒于北纬41°，到东经87°以东折向东南，穿过塔克拉玛干大沙漠东部，最后注入台特马湖。
内陆河的支流都不长，有些河还是间歇河。河流里仅有的一些水都是盆地周围的高山上来的。
天山和昆仓山山势很高，山上冰川和永久积雪面积都很大，如天山约9500平方公里，昆仑山区（不包括慕士塔格—公格尔山区）的面积达10000平方公里。每当积雪消融，水流奔腾入河，供给这些山脚下的河流。
塔里木河上游源流有三条河：叶尔羌河、和田河、阿克苏河，三个支流在阿凡提县境内汇合后始称塔里木河。
西南源叶尔羌河是塔里木河最长的支流，发源于海拔8611米的乔戈里峰附近的冰川地区，自西南向东北流入塔里木河，全长1037公里，流域面积为4.8万平方公里。它在山区水量也很丰富，出山后，穿过漫长的沙漠，因耗于灌溉、渗漏及蒸发，水量损失很大，故其下游枯水期河床干涸，只有洪水期才有余水泄入塔里木河。
南为和田河，源自昆仑山西段的玉龙喀什河，它自南向北横穿塔克拉玛干沙漠后入塔里木河，全长1090公里，流域面积2.8万平方公里。和田河下游为沙质河床，渗漏很强，故也是洪水期才有余水流入塔里木河。
北源阿克苏河有昆马力克河及托什干河两源，均出自塔吉克境内的天山山脉，汇合后称阿克苏河，它自西北流向东南，注入塔里木河，全长419公里，流域面积为3.6万平方公里。因有腾格里高山冰川融水的补给，阿克苏河的水量非常丰富，是塔里木河的主要水源，平均流量为195立方米/秒。
塔里木河干流又分为上、中、下三段：羊吉巴扎以上为上段，此段河床不分叉，侧蚀强烈，曲流发育，河床不稳定；羊吉巴扎到群克为中段，这里叉道、湖沼众多，洪水期水流漫溢分散，主流常改道；群克以下为下段，河道复旧统一，河水经上、中段渗漏、蒸发及引灌溉后，所剩不多，又因群克至铁干里克之间兴建了大西海水库，故只有少量河水可以流到英苏，洪水时期才有水泄入台特马湖。
洪水期，决口改道的河水，有时摆到北面和孔雀河汇流注入罗布泊，有时摆到南面注入台特马湖。在古代，塔里木河注入罗布泊，罗布泊水草丰盛，土地肥沃。
在罗布泊的西边，有一个著名的“楼兰国”。当时那里果木成片，牛羊肥壮，农业发达，是“丝绸之路”上一个商贾往来络绎不绝的地方。据说，张骞、班超、玄奘、意大利的马可·波罗，都曾到过这里。后来，由于塔里木河改道流入南面的台特马湖，碧绿的农田全被风沙吞没，茂密的果树只剩下干枯的树干，昔日遍地的牛羊不见了，繁荣昌盛的“楼兰古国”至今仅留下几处残墙断壁。
在气候干燥的塔里木盆地，慷慨无私的塔里木河用自己宝贵的“奶汁”滋润着两岸的土地，哺育着两岸的人民。从上游到下游，长河两岸，绿洲片片，渠道纵横。这里棉桃压枝，朵朵如云；各园瓜果，芳香扑鼻。更加奇特的是那沿河两岸延续不断的胡杨林，像一条绿色的长廊，给荒漠增添了鲜丽的艳姿。
塔里木盆地的天然胡杨林共有28万公顷，这在世界干旱荒漠地带中是独一无二的。棵棵胡杨，拔地而起，树干粗得可数人合抱。浓密枝叶形成的大树冠，活像一把巨大的遮阳伞。有的树上藤条缠绕，上下垂挂，恰似绸带。著名诗人郭小川曾写过这样的诗句：
谁到过万里沙漠，谁知道路远。
谁走过茫茫戈壁，谁见树心甜，
千里戈壁一棵树，就是世外桃园。
如果人们长途跋涉从满目荒凉、死一般寂静的大沙漠深处走出，进入塔里木河两岸绿荫浓重的胡杨林中时，会顿觉空气清新，恬静爽透，真正体验到诗中之情。
塔里木河两岸的原始胡杨林还是野生动物的天然乐园。成群结队的骆驼、马鹿在这里自由驰聘，安然觅食。大批的黄羊、野猪、狐狸、草兔、田鼠和各种猛禽、小鸟在这里安家落户，过着食物丰盛的生活。
中华人民共和国成立后，在利用塔里木河河水方面取得了不少成就。1952年在尉犁县修筑了拦河坝，在下游建起了卡拉和铁干里克两大垦区。为了发展生产，修建了许多大小水库。灌区的迅速发展，塔里木河的水愈来愈多地被用于灌溉，使两侧的荒地逐步变成了肥美的绿洲良田。