В работе представлены результаты многолетнего мониторинга (2019-2026 гг.) содержания Zn, Ni, Fe, Cu, Cr в поверхностных водах и донных отложениях Куйбышевского водохранилища в районе города Ульяновск. Установлено, что средние концентрации Zn, Ni, Fe, Cr превышают предельно допустимые концентрации для водных объектов рыбохозяйственного назначения в 1,6–4,4 раза. С помощью иерархической кластеризации и метода K means выделены три группы металлов: сезонно-зависимые (Fe, Ni, Zn), консервативные (Cu) и металлы с признаками точечного антропогенного источника (Cr). Рассчитаны коэффициенты межфазного распределения lgKрасп, которые для Cu и Zn составляют 3,35–3,39, для Ni – 2,80, для Fe – 2,22, что указывает на различную способность металлов к аккумуляции в донных отложениях. С использованием множественной линейной регрессии получены эмпирические зависимости концентрации металлов от температуры воды и pH. Выполнен прогноз на весенний период 2027 года, согласно которому ожидаемое превышение ПДК составит: для Fe – в 7,9 раза, Zn – в 2,3, Ni – в 1,6, Cr – в 1,7 раза. Показано, что медь остается единственным металлом, содержание которого не превышает нормативов. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования систем экологического мониторинга и прогнозирования качества вод крупных равнинных водохранилищ.