La cuenca hidrográfica a la cual pertenece el pajonal de Tilicura tiene una superficie de 25.461 ha (Fuente: CEA, 2009). El sistema de alimentación principal del humedal, entendido como el modo en que se abastece de agua, es de tipo epigénico, debido a que se alimenta principalmente de aportes superficiales de agua: meteórica (lluvia y niebla) y escorrentía superficial (ríos y quebradas aledañas). En este contexto, los afluentes principales del humedal son los esteros Tilicura y Baquil.
A éstos se agregan las quebradas El Mongote, Patacón, Budeo, Espinillo, tributarios del estero Baquil; y los aportes de las quebradas Quilicura y Fuenzalida, tributarias del estero Tilicura.