Ngay từ những năm 1980 trước những thách thức về phát triển Khoa Thủy văn tại trường Đại học Thủy lợi, Ban lãnh đạo Khoa đã xác định hợp tác quốc tế về đào tạo và nghiên cứu khoa học là hướng đi tất yếu cho phát triển lâu dài của Khoa. Những giảng viên đầu tiên đã được gửi đi học tại Hà Lan, Ấn Độ, Thái Lan và nhờ đó một thời gian dài Khoa Thủy văn luôn đi đầu trong tiếng Anh và mô hình toán cũng như các kiến thức chuyên ngành tiên tiến. Hợp tác quốc tế về đào tạo và nghiên cứu khoa học luôn được Khoa chú trọng và đẩy mạnh. Ngay từ những năm đầu 1990 Khoa Thủy văn đã có hợp tác với trường Đại học Kỹ thuật Brauschvweig của Cộng hòa Liên bang Đức với nhiều giảng viên của Khoa và của trường ĐHTL học tập và làm việc ở trường Đại học này, hợp tác này mở ra hướng phát triển của Khoa và cho đến này vẫn hiệu quả. Cũng trong thời gian này Khoa đã có hợp tác với ngành Môi trường của Học viện Kỹ thuật Châu Á (AIT), GS. Nguyễn Công Thành của Học viện đã có nhiều bài giảng tại Khoa Thủy văn – Môi trường và trao học bổng cho sinh viên Khoa hàng năm (6 năm từ 1992-1997). Gần đây là  những hợp tác song phương với các trường Đại học lớn của Italia, nhiều giảng viên của Khoa Thủy văn và các Khoa khác đã được đào tạo Tiến sĩ ở Italia, đặc biệt Khoa đã tham gia chủ trì thực hiện các nhiệm vụ Nghị định thư về NCKH như “Dự báo mưa lũ trung hạn cho sông Hồng”, “Dự báo lũ sông Cả” và  các kết quả này đang được dùng trong dự báo tác nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương; 

Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước luôn tích cực tham gia trao đổi khoa học với các tổ chức, chuyên gia quốc tế, trao đổi học thuật, hội thảo khoa học với các chuyên gia của Trung Quốc (đại học Hà Hải, Đại học Vũ Hán), chuyên gia Italia (Đại học Brescia, Đại học Bách Khoa Milan), với chuyên gia của Singapo, Đức, Nhật (Đại học Kyoto, Sendai).

Các giảng viên của Khoa đã tham gia giảng dạy và đào tạo các lớp Thạc sỹ liên kết với Bỉ, Đức. Cùng với Khoa Môi trường đã tham gia giảng dạy cho các khóa Cao học Kỹ thuật và Quản lý Môi trường của Đại học Quốc gia Lào. Thường xuyên gửi giảng viên tham gia các khóa học về phục hổi bền vững và thích ứng biến đổi khí hậu tại Thụy Điển, và các lĩnh vực khác tại các trường Đại học, Viện nghiên cứu ở nước ngoài,…

Gần đây các giảng viên bộ môn Thủy văn và TNN đã tham gia dự giảng tại trường Đại học Bang Colorado và trường ĐH Arkansas để giảng dạy bằng tiếng Anh cho trường  Đại học Thủy lợi. Đặc biệt hiện nay Khoa có một giảng viên là cộng tác viên của tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) trong việc tham gia các lớp đào tạo từ xa về thủy văn.

Khoa cũng đã phối hợp với trường Đại học Twente (Hà Lan) xây dựng chương trình đào tạo Cao học chuyên ngành Quản lý giảm nhẹ thiên tai; tham gia cùng đối tác Nhật Bản và các đơn vị khác tổ chức Hội thảo về khối vật liệu tiêu/phá sóng công nghệ mới.

Đã tổ chức nhiều hội thảo, trao đổi học thuật với các Trường Đại học, Viện nghiên cứu của các nước tiên tiến như Nhật Bản, Hà Lan, NewzeLand,...Trong những hợp tác này đã có 3 giảng viên của Khoa được đào tạo tại viện ITC, Hà Lan theo dự án Niche, nhằm nâng cao năng lực phục vụ công tác đào tạo, hiện này có 04 giảng viên đang làm NCS ở các nước Hoa Kỳ, Đức, Italia, Newzeland.