Zu den Aufgaben im Bereich der Hydrologie zählen der quantitative Messdienst an oberirdischen Gewässern, der Niederschläge und des Grundwassers, die mengenmäßige Bewirtschaftung der oberirdischen Gewässer und die Bewirtschaftung des Grundwassers sowie der Grundwasser- und Heilquellenschutz. 

Der quantitative Messdienst ermittelt die für die Ordnung des Wasserhaushalts notwendigen Daten und wasserwirtschaftlichen Grundlagen. Diese Kenntnisse werden benötigt, um das Wissen über das Wasser selbst, seinen Kreislauf, seine Verteilung auf und unter der Oberfläche sowie über die Auswirkungen seiner Beeinflussung durch den Menschen zu erweitern. Dazu werden landesweit mit Hilfe von Pegeln an den oberirdischen Gewässern die Wasserstände gemessen und Durchflüsse ermittelt, mit automatischen Niederschlagsstationen kontinuierlich die fallenden Niederschläge registriert und im Messnetz Grundwasser an Grundwasser­messstellen, Quellschüttungen und Lysimetern die Grundwasserverhältnisse beobachtet. Im quantitativen hydrologischen Dienst arbeiten das Landesamt und die Regionalstellen Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz der Struktur- und Genehmigungsdirektionen eng zusammen.

Bei der mengenmäßigen Bewirtschaftung der oberirdischen Gewässer stehen Fragen des Hochwasserschutzes und der Hochwassermeldedienst im Vordergrund. Im Zusammenhang mit der Retentionsraumplanung am Oberrhein wird die Wirkung geplanter Maßnahmen mit Hilfe mathematischer Systemmodelle zur Simulation von Abflussvorgängen und zur Steuerung von Rückhaltungen untersucht. Sonstige Hochwasserschutzmaßnahmen, auch an Nebengewässern, werden hinsichtlich ihrer Wirkung bewertet. Der Hochwassermeldedienst verbreitet für Rhein, Mosel, Saar, Sauer, Our, Nahe, Lahn und Sieg im Hochwasserfall stündlich aktualisierte  Wasserstände und mehrmals täglich Vorhersagen im Internet (neues Fenster), Videotext des Fernsehens und im Rundfunk.

Im Zuge der Bewirtschaftung des Grundwassers werden die Einflüsse von Grundwassernutzungen auf den Grundwasserhaushalt bewertet und die Bemessungsgrundlagen für Wasserschutzgebiete erarbeitet. Als Grundlage für die Grundwassergewinnung und Ausweisung von Trinkwasserschutzgebieten werden grundwasserhydraulische Untersuchungen durchgeführt und das  Grundwasserdargebot ermittelt. Zur künftigen Sicherstellung der Wasserversorgung in Rheinland-Pfalz werden Konzepte in Form von Wasserversorgungsplänen erstellt. Sonder- und Schwerpunktuntersuchungen befassen sich u. a. mit der Grundwasserversauerung sowie dem Eintrag von Nitraten und Pflanzenschutzmitteln in das Grundwasser. Dazu werden chemische und physikalische Untersuchungen des Grundwassers durchgeführt.

Bei der Festsetzung von Heilquellenschutzgebieten ist das Landesamt für Umwelt im Verfahren beteiligt. Es berät die Staatsbäder in Rheinland-Pfalz bei der Überwachung, Pflege und dem Schutz der Heilquellen.

Die Wasserwirtschaftsverwaltung Rheinland-Pfalz stellt im Auskunftssystem Geoportal Wasser ausgewählte Messdaten aus den Bereichen Niederschlag, Wasserstand & Abfluss und Grundwasser zur Verfügung, die über Datenkarten oder mit Hilfe des Datenassistenten aufbereitet werden können.