水文实验站的任务在于通过共同性课题的实验研究来服务于整个水文站网和水文业务，其职责不仅限于解决当地水文问题。这些实验站兼具采集野外测试数据和提供研究成果的功能。为了完成这一使命，实验站配备了先进的仪器设备和高水平的研究人员。实验站的发展遵循需求和可行性原则，虽然在水文站网中占比不大，但对于推进水文工作和提升水文科学研究水平有着重要作用。
水文实验站可分为综合性实验站和专门实验站两类。综合性实验站通常选取一个或多个水体和流域系统作为研究对象，采用水量平衡理论和统计学原理的方法进行实验研究。这类实验站的观测试验项目较为全面，但会突出研究的重点课题。而专门实验站则专注于某一特定领域，如雨量、蒸发、河道（泥沙）和测验方法等，其测试项目和内容更为单一。例如，蒸发实验站主要利用蒸发池和蒸渗仪等工具测量蒸发量，并记录相关
气象因素，以探索它们之间的联系。测验方法实验站通常与常规水文站相结合，但需要额外安装测流缆道等设备，以便及时获取洪水和泥沙监测的数据。由于等待自然重现某些水文现象可能会导致实验周期过长，且难以在自然界中找到符合所有条件的理想实验实体，因此需要采取人工干预等积极措施。例如，人工降雨、模拟土壤渗透、控制地下水位、构建简化的人工坡面和平衡水域，以及有意保留或改变单一的地表特征，从而创造可比的实验条件。实验站的工作按照水文实验研究的技术流程进行，需要明确的目标任务和阶段性实施计划。如果现有站网的仪器无法满足需求，则需要设计并配备专用的测试装置。此外，实验站还应制定相关的技术规范，确保数据的可靠性和可比性。实验报告和初步整理的观测试验数据应及时发布，以为用户提供更好的服务。
水文实验站的历史可以追溯至20世纪30年代。1934年，
苏联和美国分别建立了瓦尔达依和科维塔水文实验基地。目前，实验流域在全球范围内得到了广泛的应用。在中国，自1953年起，陆续建立了多个径流实验站。截至1999年，已建成涵盖水库水文泥沙、水土保持、湖泊水文气象、河口和河道水文、蒸发、雨量和水文测验方法等多种类型的水文实验站共125个。