Kostrzyn nad Odrą leży u ujścia Warty do Odry. Niewielka część Kostrzyna należy również do Kotliny Freienwaldzkiej, która rozpościera się głównie na lewym brzegu Odry na terytorium Niemiec. W Polsce należy do tej jednostki wąski pas doliny na prawym brzegu Odry od Kostrzyna do Starego Kostrzynka (gmina Cedynia). Wśród wód płynących i stojących do najważniejszych elementów należy zaliczyć Odrę oraz Wartę z jej rozlewiskami, znajdującymi się w południowo-wschodniej części miasta. Obie rzeki charakteryzuje śnieżno-deszczowy ustrój zasilania. Stąd też niżówki mają miejsce w Kostrzynie nad Odrą w lipcu i sierpniu, a wezbrania i powodzie w marcu (typowo roztopowe).
Odra na terenie Kostrzyna płynie w obrębie Kotliny Freienwaldzkiej. Dolina Odry łączy się tutaj z doliną Warty. Poniżej ujścia Warty dolina Odry po stronie polskiej jest bardzo wąska. Jej szerokość po stronie niemieckiej w Oderbruch wynosi 15 lub więcej kilometrów. Po stronie polskiej znajduje się na południe od ujścia Warty ciągły wał przeciwpowodziowy. Szerokość obecnego obszaru zalewowego po polskiej stronie waha się od 1 do 3 km. Na całej długości tego odcinka rzeki znajdują się ostrogi i umocnienia brzegowe. Na odcinku tym zachowane są liczne i duże powierzchniowo starorzecza, zarówno łączące się z nurtem rzeki, jak i od niego całkowicie odcięte.
Warta jest rzeką nizinną o szeroko rozbudowanej lewobrzeżnej terasie zalewowej z licznymi starorzeczami. Szczególnie dużo starorzeczy jest w okolicach Kostrzyna – między Słońskiem a Kostrzynem. Zbieg wielu cieków wodnych – Stara Warta, Witna, Postomia, Lisia, które są ciekami IV rzędu – w okolicach Kostrzyna związany jest m.in. z ukształtowaniem powierzchni tego terenu, ściślej: z nachylenie terenu w kierunku doliny Odry. Wody Warty w wyniku wylewów osadzają na okolicznych terenach namuły, przyczyniając się do tworzenia mad i gleb mułowo-torfowych. Wody powierzchniowe w okolicach Korzystna wzbogacone są obszarami moczarowato-bagiennymi położonymi na południe i częściowo na zachód od miasta. Takim rezerwuarem są tereny Parku Narodowego i jego otuliny w postaci Parku Krajobrazowego zlokalizowane w zachodniej części Pradoliny Toruńsko-Eberswaldzkiej.
Obecnie granicę między dolinami rzek Odry i Warty stanowi wał przeciwpowodziowy biegnący wzdłuż Odry. Całość wód z dorzecza Warty odprowadzana jest do Odry właśnie w Kostrzynie nad Odrą. Warta uchodząca do Odry w Kostrzynie nad Odrą, płynie w szerokiej, płaskiej dolinie, do której wody spływają od strony południowej z Równiny Rzepińskiej, jak i od strony północnej z Równiny Gorzowskiej. Północna część tej doliny na odcinku od centrum miasta do jego wschodniej granicy jest oddzielona od Warty wałami przeciwpowodziowymi.
Tereny położone na południu miasta, po wspomniane wyżej obwałowania, aż do drogi Kostrzyn – Słońsk, są terenami zalewowymi Warty i uchodzącej do niej Postomi. W obszarze zalewowym znajdują się fragmenty starorzeczy Warty i Postomi, niekiedy nazywane jeziorami. Są to systemy przeważnie zdewastowanych rowów i kanałów melioracyjnych ułatwiających odprowadzanie nadwyżek wód pozostałych po zalewach wezbraniowych.
Odra płynie ona po zachodniej granicy miasta. Od doliny Warty i Kotliny Freienwaldzkiej oddziela ją system wałów przeciwpowodziowych. Nieco poniżej ujścia Warty, brak jest obwałowań Odry po polskiej stronie rzeki. Na tym odcinku koryto Odry podchodzi bardzo blisko do podnóża wyższych poziomów terasowych, co sprawia, że wschodnia terasa zalewowa rzeki jest bardzo wąska.
Obecny stan zagospodarowania doliny Warty i Odry w rejonie Kostrzyna nad Odrą jest efektem prac regulacyjnych rozpoczętych na tym terenie na przełomie XVIII i XIX wieku. Główne prace były początkowo związane z tworzeniem jednego koryta Warty (gdyż rzeka dzieli się na liczne odnogi i ramiona). Koryto Warty, częściowo wyprostowano, pogłębiono, umocniono jego brzegi i częściowo obwałowano (na północ od rzeki). Wykonano także prace z korzystniejszym wyprofilowaniem i ukształtowaniem ujścia Warty do Odry, a samą Odrę obwałowano.
Potencjalnym zagrożeniem występującym na terenie Miasta Kostrzyn nad Odrą jest obszar położony wzdłuż rzek Odry (Osiedle Warniki, Drzewice i Szumiłowo) i Warty (Osiedle Warniki). Na rzekach przepływających przez Kostrzyn nad Odrą pojawiają się okresowo istotne zagrożenia powodziowe. Największe odpływy notowane są w czasie roztopów wiosennych (powodzie roztopowe). Przyczynami powodzi są też intensywne opady atmosferyczne (powodzie opadowe) a także zatory lodowe. Tereny położone na południu miasta, po wspomniane wyżej obwałowania aż do drogi Kostrzyn – Słońsk, są terenami zalewowymi Warty i uchodzącej do niej Postomi. Częste i dotkliwe powodzie nawiedzające miasto spowodowały, że w 1785 rozpoczęto prace regulacyjne biegu Warty i Odry. Wykopano kanał Fryderyka Wilhelma, odtąd Warta uchodzi do Odry na północ od twierdzy.
W XIV i XV wieku Kostrzyn rozwijał się wzdłuż szlaku biegnącego prostopadłe do Odry, dopiero w czasach późniejszych (po zbudowaniu twierdzy) rozbudowywał się wzdłuż Odry. Życie gospodarcze opierało się na handlu, rzemiośle oraz rolnictwie. W wyniku ustaleń poczdamskich po II wojnie światowej Odra stała się polsko-niemiecką rzeką graniczną, dzieląc miasto. Długie Przedmieście i Kietz pozostały w Niemczech na terenie radzieckiej strefy okupacyjnej, Stare i Nowe Miasto włączono do Polski.
Kostrzyn położony jest na Międzynarodowej Drodze Wodnej E70, łączącej Antwerpię w Belgii z Kłajpedą na Litwie śródlądowymi drogami wodnymi (przez Holandię, Niemcy, Rosję). W mieście znajduje się duży port rzeczny obsługujący głównie zakłady znajdujące się w Kostrzyńsko-Słubickiej Specjalnej Strefie Ekonomicznej.