Fontenoy-le-Château est situé dans la vallée du Côney, affluent de la Saône, sur le bassin des eaux de la Méditerranée et traversé par le canal de l'Est maintenant canal des Vosges. On y trouve un port de plaisance très fréquenté. Le territoire de Fontenoy est arrosé par six ruisseaux : le ruisseau de Trémonzey, le ruisseau du Grurupt, le ruisseau Châtelain ou ruisseau de la Carotte, du nom de la parcelle où il prend sa source, le ruisseau des prés David, le ruisseau de Saint-Georges et le ruisseau de la Fresse.