牡丹江是松花江中游的最大支流，发源于吉林省境内白头山以北的牡丹岭，流经吉林省敦化、蛟河两县后，经黑龙江省宁安、牡丹江、海林、林口、依兰等5县市，在依兰县城附近注入松花江，全长726公里，流域面积37023平方公里。
牡丹江河床比降大，河道天然落差1007米，平均比降为1.39‰。镜泊湖以上为上游，江水由南部进入镜泊湖，在湖的北部出口处形成落差20米的瀑布。从镜泊湖到牡丹江市为中游，从牡丹江市至长江屯为下游。牡丹江中游段流经玄武岩台地，两岸地形低缓、河谷较宽、比降较小；上游和下游均流经山区，河谷狭窄、水流湍急、支流短小、河中有礁石。直至长江屯以下河流进入宽阔的河谷平原，在依兰县附近，山谷骤然开阔，水流蜿蜒，分汊较多，有河中岛出现。
牡丹江年平均径流量为227.7毫米，全流域多年平均径流总量为88.34亿立米，径流量的季节分配不均。春季融水形成明显的春汛，夏季降水集中，径流占全年50%以上，每次较大降水后都会出现强大的洪峰，幸有镜泊湖调节。河流泥沙含量小，河水终年清澈，水力资源丰富，水能蕴藏量为75.51万千瓦，有多处优良坝址，开发条件较好，可能开发的水电站点有20几个，现已开发的发电量仅占可能开发量的22.2%，潜力还很大。牡丹江的主要支流有沙河、海浪河、头道河子、二道河子、三道河子和乌斯浑河，以海浪河和乌斯浑河最大。