Tesis ini mengkaji pemodelan rainfall-runoff metode GR4J pada DAS Citarum Hulu. Dalam pemodelan ini digunakan input data berupa data hujan harian dan data evapotranspirasi potensial yang hasilnya dikalibrasi menggunakan data debit pengamatan harian. Dalam pemodelan ini dicari nilai optimum dari parameter pemodelan GR4J yang menghasilkan simpangan atau error yang paling kecil. Ada dua tahapan dalam pemodelan ini, yaitu: kalibrasi model dan validasi model. Kalibrasi model menggunakan data lima tahun pertama dan validasi model menggunakan data lima tahun kedua. Untuk menghitung simpangan yang terjadi digunakan metode Nash-Sutcliffe Coefficient dan metode Relative Volume Error (RVE). Kajian ini dimulai dengan membangun suatu program pemodelan GR4J menggunakan bantuan software Matlab 7.0. input data hujan yang dimasukan berupa hujan wilayah yang dihitung menggunakan metode poligon Thiessen dan data evapotranspirasi potensial menggunakan metode Pennman Modifikasi. Pemodelan ini mengoptimasi empat parameter bebas berupa Kapasitas Maksimum Production Store (X1), Koefisien Perubahan Air Tanah (X2), Kapasitas Maksimum Routing Store (X3), dan Waktu Puncak Ordinat Unit Hidrograf (X4). Parameter terakhir yaitu Waktu puncak ordinat unit hidrograf dari pemodelan yang dilakukan digunakan untuk keperluan studi banjir berupa analisa unit hidrograf yang menggunakan metode linear reservoir cascade. Dalam tesis ini pemodelan GR4J juga dibandingkan dengan model rainfall-runoff lain yaitu NRECA.Kajian dilakukan dengan memanfaatkan DAS Sungai Citarum yang merupakan suatu DAS terukur. Kalibrasi menggunakan data pengamatan di stasiun debit Nanjung dan berdasarkan data pengamatan di beberapa stasiun hujan di dalam DAS. Hasil dari kajian ini menyimpulkan bahwa data lima tahun pertama memiliki parameter yang hampir sama dengan data lima tahun kedua. Hal ini menunjukan pola curah hujan dan debit tidak mengalami perubahan yang berarti. Tetapi nilai simpangan yang tidak melebihi 0,85 menunjukan bahwa pemodelan rainfall-runoff menjadi debit pada DAS Citarum Hulu banyak dipengaruhi oleh berbagai faktor eksternal, tidak hanya dipengaruhi oleh empat parameter pada pemodelan.