Город Петрозаводск находится на берегах Петрозаводской губы, Немецкой губы, Заячьей губы Онежского озера, второго по величине озера Европы. Часть города расположена на берегу центральной части Онежского озера. По системе рек и каналов Петрозаводск имеет выход в Балтийское, Белое, Баренцево, Каспийское и Чёрное моря, что делает его портом пяти морей. В черте города находятся озёра: Денное, Карьер, Ламба, Логмозеро и Четырёхвёрстное. Логмозеро и Онежское озёра соединены Соломенским проливом.
Через территорию города протекает несколько несудоходных рек: Лососинка, Неглинка, Томица, Сельгская Речка, ручьи Каменный, Студенец, Студёный, Малый и Большой.
На территории города действует около 100 родников. Часть из них («Сулажгорский», «Онежский», «Лягушка», «Трудовые резервы» («На Объездной»), «На Вольной», «Неглинский», родники на Курганском проезде, Лесном проспекте, несколько родников на Ключевой) активно посещается петрозаводчанами. От 12 ключей, располагавшихся в южной части города, получили своё название улица 12 Ключей (ныне Ключевая улица) и посёлок (ныне — жилой район) Ключевая.
