حوضهٔ آبريز اين رودخانه از جنوب محدود به ارتفاعات رشته‌کوه‌هاى البرز مى‌باشد که مهمترين آنها از غرب به شرق عبارتند از: درازنو، کال‌نو، امام‌وردي، چکل‌سر، شاه‌پسند، کلاه‌گردان، پيرگردکوه و چِلچِلى که مرتفع‌ترين آن پيرگردکوه مى‌باشد که آبريز شمالى آن چندين شاخهٔ جانبى از رودخانهٔ قره‌سو را ايجاد و داراى حداکثر ۳۲۰۴ متر ارتفاع از سطح درياى آزاد مى‌باشد. حوضهٔ آبريز رودخانهٔ قره‌سو به‌طور کلى از دو قسمت مجزّا از هم تشکيل مى‌شود:
- قسمت اول
اين قسمت از ارتفاعات جنگلى منطقه مى‌باشد که محل اصلى ذخيرهٔ آب حوضه بوده که پس از ريزش و نفوذ نزولات آسمانى به‌صورت چشمه‌سارها و نهرهاى جنگلى درآمده و سرانجام شاخه‌هاى جانبى رودخانه را به‌وجود مى‌آورند و داراى حداکثر ۳۲۰۴ متر و حداقل ۳۰۰ متر ارتفاع از سطح درياى آزاد مى‌باشد.
- قسمت دوم
اين قسمت مناطق جلگه‌اى و کم‌ارتفاع حوضه مى‌باشد که مى‌توان تحت عنوان اراضى کشاورزى و مناطق شهرى از آن نام برد که از ارتفاع کمتر از ۳۰۰ متر شروع و به مناطق و اراضى پست پائين‌تر از سطح دريا منتهى مى‌شود، مساحت حوضهٔ آبريز رودخانهٔ قره‌سو در کل ۱۵۳،۶۳۱ هکتار وسعت دارد و شاخهٔ اصلى رودخانهٔ قره‌سو از ارتفاعات کوه‌هاى پيرگردکوه، سوس و قزيمان، سرچشمه گرفته و بعد از پيوستن چشمه‌سارها و جويبارها و نهرها و آبريزهاى فصلى و شاخه‌هاى فرعى سرانجام با ساير شاخه‌هاى جانبي، رودخانهٔ قره‌سو را تشکيل داده که آب‌هاى سطح و زيرزمينى و زير سطحى حوضه را تغذيه مى‌نمايد، پس از عبور از حوالى و درون روستاهاى متعددى چون توسکستان، نصرآباد، فيض‌آباد، آلوکلاته، فوجرد، قربان‌آباد، شورحيات، يامپي، صحنه‌عليا، اسلام‌تپّه (شاه‌تپّهٔ سابق) گاوميشلى نزار، قره‌تپّه صفر حاجي، زابلى‌محله، سيجوال و نيازآباد، بعد از طى مسافتى در حدود ۸۹،۲۵۰ کيلومتر از روستاى قره‌سو به خليج گرگان وارد مى‌شود. علاوه بر شاخهٔ اصلي، چندين شاخهٔ فرعى ديگر از ارتفاعات مختلفى سرچشمه مى‌گيرد و به رودخانهٔ قره‌سو وارد مى‌شود که عبارتند از:
رودخانهٔ زيارت
اين رودخانه از کوه‌هاى زرشک‌کوه و ترک ميدان و مازوکش سرچشمه گرفته و بعد از پيوستن ساير جويبارها از ارتفاعات کولى‌چال و قول‌بيلاغ، رودخانهٔ زيارت را در حاشيهٔ شرقى روستاى زيارت به‌وجود آورده و وارد محدودهٔ تفريحگاهى نهارخوران گرگان مى‌گردد. اين رودخانه سرانجام بعد از شهر گرگان و روستاى محمدآباد در امتداد شرقى جادهٔ گرگان به آق‌قلا ادامه داشته و بعد از طى مسافتى در حدود چهل کيلومتر در محلى به نام پل شورحيات به رودخانهٔ قره‌سو مى‌پيوندد.
رودخانهٔ تول‌چشمه و انجيراب
رودخانهٔ تول‌چشمه از ارتفاعات کوه يخ‌کش و النگ‌درّه سرچشمه گرفته و از آبادى توشن از توابع بخش مرکزى گرگان گذشته و در محدودهٔ غربى اين شهرستان، جادهٔ آسفالته و راه‌آهن را قطع نموده و به رودخانهٔ انجيراب که از ارتفاعات کوه جوزبند سرچشمه مى‌گيرد در پائين‌تر از تقاطع رودخانه و راه‌آهن به‌هم ملحق شده که در گذشته به رودخانهٔ قره‌سو وارد مى‌شد و اکنون با احداث کانال هوائى بر روى رودخانهٔ قره‌سو، دو رودخانه به رودخانهٔ گرگان‌رود هدايت مى‌گردد.
رودخانهٔ شصت‌کلاته
اين رودخانه از بلندى‌هاى کوه قول‌ييلاغ و جهان‌نما سرچشمه گرفته و بعد از پيوستن چشمه‌سارها و جويبارهاى فراوان ديگر، رودخانهٔ شصت‌کلاته را تشکيل و بعد از عبور از روستاهاى سيدميران، کفشگيري، رودخانهٔ نوچمن و شموشک بدان پيوسته و در غرب سه‌راهى يساقى طى حدود ۳۸ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌ريزد.
رودخانهٔ گرجى‌محله
اين رودخانه از دامنه‌هاى شمالى کوه‌چکل، سرچشمه مى‌گيرد که در مواقع بارندگى آب اين رودخانه تا قره‌سو جريان مى‌يابد و بعد از عبور از روستاى گرجى‌محله و طيّ ۵/۱۶ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌پيوندد.
رودخانهٔ مياندرّه
اين رودخانه از دامنه‌هاى شمال غرب کوه چکل‌سر و امام‌وردى سرچشمه مى‌گيرد و پس از عبور از روستاى مياندره و طى ۲۰ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌ريزد.
رودخانهٔ ششدانگ بالا جاده
اين رودخانه از بلندى‌هاى غربى امام‌وردى در آبريز شمال شرقى دکالى سرچشمه گرفته که بعد از پيوستن چشمه‌سارها و نهرهاى ديگر بالا جاده، از حوالى روستاى النگ گذشته و بعد از طى ۵/۱۷ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌ريزد.
رودخانهٔ غاز محلهٔ کردکوى
اين رودخانه از ارتفاعات کال‌نو و درازنو سرچشمه گرفته و چندين چشمه و نهر ديگر بدان پيوسته و از داخل شهرستان کردکوى گذشته و بعد از طى حدود ۲۰ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌ريزد.
رودخانهٔ زواردشت
اين رودخانه از بلندى‌ها و دامنه‌هاى کوه البرز در ناحيهٔ کردکوى سرچشمه گرفته و پس از پيوستن رودخانه ساليکنده به آن، طى ۵/۱۲ کيلومتر مسافت به رودخانهٔ قره‌سو مى‌ريزد.