La Haute Marne est caractérisé par un réseau hydrographique dense avec près de 490 rivières et ruisseaux qui parcourent le département. Cependant, il existe une forte densité dans le sud-est, sur le territoire du Pays de Langres qui est désigné sous le terme de château d’eau. Les caractéristiques géologiques du rebord du plateau de Langres, avec l’alternance de calcaires perméables et de marnes imperméables lui octroient cette qualité. Les fortes précipitations s’infiltrent dans le sol calcaire et vont s’arrêter sur les marnes. Une grande partie de l’eau sera stockée dans les nappes phréatiques, tandis que le reste va s’épancher au niveau des lignes de sources. Ainsi naissent de nombreux rus et ruisseaux qui vont rejoindrent 3 bassins versants : au Nord-Ouest le bassin de la Seine, au Nord-Est celui de la Meuse et au Sud-Est celui de la Saône.
Le Pays de Langres présente un ensemble géologique provenant de différentes périodes de l’ère secondaire, incluant des natures de roches variées. Les calcaires du Bathonien et du Bajocien datant du Jurassique moyen (environ -150 M d’années) sont présents sur le plateau de Langres et de son prolongement - la montagne- ainsi qu’au Pays de la Vingeanne. Tandis que les roches peu calcaires (argiles, marnes, ou sables) constituent des couches géologiques plus anciennes telle la région du Bassigny (période du jurassique inférieur, environ -180 M d’années) et celles du Pays d’Amance et de l’Apance (période du trias, environ - 225 M d’années).