Le bassin versant de la baie Missisquoi est le territoire qui draine les eaux des rivières se jetant dans la baie Missisquoi. Cette baie est la plus nordique du lac Champlain et la seule partie se situant au Canada. Le territoire du bassin versant couvre une superficie de 3 101 km², dont 1 311 au Québec (42 %) et 1 789 au Vermont (58 %).

Les principaux cours d’eau qui alimentent la baie Missisquoi sont : la rivière Missisquoi, la rivière aux Brochets et la rivière de la Roche. La rivière aux Brochets s’y déverse au Québec, alors que les embouchures des rivières Missisquoi et de la Roche sont situées au Vermont. Par ailleurs, les eaux de pluie qui tombent sur le pourtour de la baie Missisquoi s’écoulent par plusieurs petits ruisseaux menant directement dans la baie.

D’est en ouest

Du point de vue de la topographie et du réseau hydrographique, on peut subdiviser le territoire du bassin versant en deux parties qui possèdent des caractéristiques très différentes. À l’Est, le sous-bassin versant de la rivière Missisquoi est une région forestière et accidentée dont la superficie au Québec est de 653 km². Ce secteur est caractérisé par la présence des Montagnes Vertes, un chaînon des Appalaches. La rivière Missisquoi prend sa source dans l’État du Vermont. Elle entre au Québec dans le canton de Potton et retourne aux États-Unis à Richford (VT) pour finalement se déverser dans la baie Missisquoi dans la municipalité de Highgate (VT). Le débit annuel moyen de cette rivière est d’environ 50 m³/sec enregistré à Swanton au Vermont. La rivière Sutton et Missisquoi Nord sont les principaux affluents québécois de la Missisquoi.

Dans la partie Ouest du bassin versant, les montagnes laissent doucement place à la plaine agricole qui s’étend jusqu’à la baie Missisquoi. Cette plaine argileuse fait notamment partie des Basses-Terres du St-Laurent et correspond au territoire autrefois occupé par la mer de Champlain, il y a de ça environ 10 000 ans. On y retrouve le sous-bassin de la rivière aux Brochets (555 km² au Québec) qui se déverse dans la baie Missisquoi au Québec avec un débit moyen d’environ 10 m³/sec, enregistré à Notre-Dame-de-Stanbridge. On retrouve également le sous-bassin versant de la rivière de la Roche (48 km² au Québec) qui fait une incursion dans le territoire québécois à St-Armand et dont le débit moyen d’environ 3 m³/sec à son embouchure au Vermont.