По водности Северная Двина уступает другой большой реке Северного края - Печоре. Средний годовой расход воды ее равен 3500 м3/сек, что соответствует модулю стока около 10 л/сек км2. Водный режим реки характеризуется высоким весенним половодьем, сравнительно низкой летней меженью, осенним паводком и еще более низкой, чем летняя, зимней меженью. Весной уровень воды поднимается на 4-10 м над обычным меженним уровнем

Река замерзает в первой половине ноября. Вскрытие начинается с верховьев в среднем 20-25/IV и постепенно распространяется вниз, по течению, низовья освобождаются от льда в среднем 5-6/V.
Во время весеннего ледохода на Северной Двине наблюдаются мощные заторы льда.
Северная Двина судоходна на всем протяжении и в условиях сравнительно слабо развитой дорожной сети района имеет весьма важное транспортное значение. Через Сухону и Волжско-Северо-двинскую систему она связана с бассейнами Балтийского и Каспийского морей.
Режим питания сложный с преобладанием снегового питания. Высокое весеннее половодье, летне-осенняя межень высокая, осложняется дождевыми паводками поздним летом и осенью.