Подземные воды заполняют поры и промежутки в песках, галечниках, карстовых пустотах и трещины в скальных горных породах. Образуются они за счет проникновения в землю атмосферной влаги или конденсации водяных паров, часть которых выделяется из магмы.
Главную роль в процессе образования подземных вод играет просачивание (инфильтрация) атмосферных осадков. В пустынях и областях вечной мерзлоты большое значение имеет конденсация в порах и трещинах водяных паров. По способности пропускать воду горные породы подразделяются: на водопроницаемые (к числу их относятся, например, хорошо пропускающие воду галечники, гравий, крупнозернистый песок, разбитые трещинами плотные горные породы); на водонепроницаемые и водоупорные, практически не пропускающие воду (глины и плотные, лишенные трещин породы; мерзлые грунты, поры и трещины, которые заполнены льдом). Над такими пластами или под ними скапливается подземная вода, образуя водоносный горизонт (слой). Каждый водоносный горизонт имеет область питания, откуда в него поступает вода, и область разгрузки, где его воды либо выходят на земную поверхность, либо поступают, переливаются в другой горизонт.
По условиям залегания и режиму выделяют у самой поверхности земли верховодку — у самой поверхности земли, в так называемой зоне аэрации. Это временные линзовидные скопления воды, исчезающие в засушливые годы. Глубже находятся грунтовые воды, расположенные в первом от поверхности водоносном горизонте; он расположен на водоупорном слое и не перекрыт водонепроницаемой породой. Образуются верховодка и грунтовые воды за счет просачивания осадков и вод рек, озер, водохранилищ, оросительных каналов и др. Уровень грунтовых вод колеблется в течение года, достигая максимума в конце весны и осени. Об этих колебаниях можно судить по замерам уровня воды в колодцах или скважинах. Напорные межпластовые воды (артезианские) залегают под водоупорным слоем. Область питания у них расположена в относительно повышенных участках рельефа, создает напор в водоносном слое. Они образуют артезианские бассейны. При бурении вода под напором поднимается выше перекрывающего водоупорного пласта, подчас изливаясь на поверхность, фонтанируя.
Выходы подземных вод на поверхность— источники, родники или ключи (на Украине и в Белоруссии—криницы). Нисходящие источники питаются грунтовыми безнапорными водами, т. е. сверху вниз; восходящие — напорными артезианскими водами (снизу вверх). По температуре воды источники делятся на обычные, с температурой, равной среднегодовой для данного места, холодные — с температурой ниже среднегодовой и теплые (термальные) — с температурой выше среднегодовой. Последние характерны для вулканических районов, но встречаются и в других местах, даже в зоне вечной мерзлоты (например, по трассе БАМа).
Верхние горизонты подземных вод обычно пресные или слабоминерализованные (не более 1 г солей на литр воды). В глубоких слоях залегают рассолы. Если вода содержит много растворенных солей, минералов и газов, она называется минеральной. Минеральные воды нередко обладают целебными свойствами благодаря содержащимся в них полезным микроэлементам (иод, бром, радон и др.) и соединениям. Наиболее известны источники минеральных вод: углекислых (нарзан, боржом, ессентуки, арзни), сероводородных (курорт Сочи — Мацеста) и азотных (курорт Цхалтубо).
Человек потребляет огромное количество воды. В сутки на одного жителя крупного города расходуются сотни литров воды; на выплавку 1 т стали необходимо 200 м3 воды; на орошение 1 га посевов—12—14 тыс. м3. Для водоснабжения подземные воды более удобны, чем поверхностные: они мало подвержены загрязнению, не содержат болезнетворных бактерий и вредных компонентов и часто не требуют очистки.
Обнаружить и разведать водоносные горизонты не просто, к тому же и запасы воды в них ограничены. Используются обычно динамические запасы, т. е. возобновляющиеся регулярно за счет притока подземных вод из области питания. Забирать большое количество воды опасно, так как может начаться истощение водоносного горизонта. Поэтому важно исследовать не только свойства и объемы подземных вод, но и скорость подземных потоков, динамику их движения.
С подземными водами связаны оползни, оплывины, заболачивание, растворение некоторых горных пород (известняк, мел, мергель) и образование в них пустот, т. е. карстовых явлений.