Главной водной артерией заповедника «Воронинский» является река Ворона – правый приток р. Хопёр (бассейн р. Дон). Река протекает по периферийным районам Пензенской, Тамбовской и Воронежской областей. Площадь бассейна реки – 13 200 км², общая протяженность – 454 км, из них 216 км – в Тамбовской области. Норма годового стока в среднем течении реки (гидропост у с. Чутановка) составляет 20 м3/с, в устье (гидропост у г. Борисоглебск) – 45 м3/с.
В территорию заповедника «Воронинский» входит около 58 км среднего течения реки в границах Кирсановского и Инжавинского районов Тамбовской области. Уклон составляет 16 см на 1 км течения. Средняя скорость течения 0,2 м/с, на перекатах может достигать 0,5 м/с. Ширина русла от 20 м до 100 м. Глубины в русле колеблются от 0,5 м на перекатах до 15 – 16 м в омутах. Долина реки шириной от 2 до 6 – 8 км осложнена террасами. Правый берег р. Ворона имеет высоту 60 – 70 м, отмечаются овраги и оползни. Урез воды в р. Ворона на территории заповедника имеет отметки от 115 до 122 м н.у.м. Средняя продолжительность весеннего половодья около 90 дней, продолжительность ледового периода колеблется от 3 до 5 месяцев.
В границах заповедника р. Ворона принимает притоки: Карай, Иноковка, Вяжля, Паревка (Парница), Балыклей, Ржавка. В территорию заповедника входит только 1,2 км русла р. Вяжля, остальные реки впадают в р. Ворона на границе заповедника.
В долине р. Ворона расположены крупные пойменные озера – Рамза (168 га), Кипец (110 га), Симерка (39 га), а также более 150 мелких озер старичного происхождения.