Pyhäjärvi kuuluu Kokemäenjoen vesistöön ja on vesistön keskusjärvi. Pyhäjärven valuma-alue on 17073 km²[4]. Vesi laskee Pyhäjärveen kahta reittiä. Pohjoisselälle vedet tulevat Tammerkosken kautta Näsijärvestä (Näsijärven reitti), jonka valuma-alue on 7642 km²[4]. Etelämpää Pyhäjärveen laskee Vanajavedeltä (Vanajaveden reitti), jonka valuma-alueen suuruus on 8641 km²[4]. Jälkimmäiseen laskevat vielä idästä Längelmäveden reitti ja Hauhon reitti. Pyhäjärvi laskee Nokianvirran eli Emäkosken kautta Kuloveteen ja sieltä edelleen Kokemäenjoen kautta Pohjanlahteen.[2]