Les eaux souterraines sont constituées de nappes d’eau abritées dans les roches de la croûte terrestre. La quantité d’eau stockée par une roche dépend de l’importance de ses pores et de ses fissures. Il s’agit généralement de quelques pourcents du volume total de la roche.

Un ensemble de roches qui peut contenir une nappe d’eau et dont les caractéristiques sont homogènes est appelé un aquifère. Les deux critères essentiels pour qu’un milieu soit aquifère sont sa porosité - présence d’espaces vides dans la roche, les pores - et sa perméabilité - capacité à laisser circuler l’eau.

Trois types d’aquifères peuvent se distinguer sur la base de ces paramètres. Les roches imperméables ne constituent pas un aquifère, puisque l’eau ne peut pas y pénétrer.

Les aquifères poreux sont composés de roches sédimentaires qui peuvent être meubles (sables, graviers) ou dures (calcaire, craie). Poreux et perméables, ces aquifères étendus et parfois très épais peuvent abriter de grands volumes d’eau. Situés surtout dans les bassins sédimentaires et les vallées des rivières, ils peuvent être superposés les uns aux autres.

Les aquifères fissurés stockent de petites quantités d’eau. Ils sont constitués de roches très peu poreuses et imperméables (schistes par exemple), où l’eau ne peut circuler que par les fissures et les failles. Le volume d’eau stocké dépend donc de l’altération des roches, c’est à dire de l’abondance des fissures et des failles. Les aquifères fissurés se trouvent notamment dans les massifs montagneux.

Les aquifères karstiques sont des cas particuliers, liés au caractère soluble de certaines roches. Dans ces secteurs, des réseaux de drainage souterrain s’organisent avec des espaces vides élargis par la dissolution de la roche, qui peuvent atteindre la taille de gouffres ou cavernes. Les écoulements d’eau sont très rapides et constituent parfois de véritables rivières souterraines.

L’eau n’est pas figée dans les aquifères, elle se déplace. Une goutte peut parcourir une même distance en quelques jours dans les milieux les plus perméables (les aquifères karstiques), ou en plusieurs centaines d’années dans les milieux les moins perméables (certains aquifères poreux, comme la craie).

La partie de l’aquifère qui abrite la nappe est qualifiée de zone saturée, parce que tous les pores des roches sont remplis d’eau : c’est dans cet espace qu’intervient l'écoulement de la nappe. Le reste de l’aquifère est qualifié de zone non saturée : il reste des espaces vides dans la roche et l’eau n’est présente que sous forme d’humidité.

Dans la zone saturée, l’écoulement de l’eau se fait en suivant la pente de la zone imperméable sous-jacente. Elle peut parcourir plusieurs kilomètres, parfois même des centaines. À la fin de ce périple dans le sous-sol de la Terre, l’eau peut rejoindre la surface et quitter le domaine souterrain. Elle alimente ainsi les milieux aquatiques : rivières, milieux humides, eaux côtières, etc.

En outre, des échanges d’eau peuvent avoir lieu entre les nappes : par exemple un aquifère peut se vider dans un autre par infiltration.

Il arrive aussi que certaines nappes soient captives, c’est-à-dire bloquées entre deux ensembles de roches imperméables.

Hormis dans le cas de nappes captives isolées, la majorité des nappes souterraines est en relation plus ou moins directe avec les milieux aquatiques de surface. L’eau qui s’écoule dans les aquifères peut les rejoindre, à l’intérieur des terres comme sur le littoral, par un phénomène de drainage des eaux souterraines.

Ce drainage concerne en premier lieu les cours d’eau, qui sont au contact de la nappe alluviale, présente dans le fond de la vallée. Dans les sédiments (graviers, galets) qui tapissent le lit du cours d’eau, l’eau se mélange avec celle provenant de la nappe alluviale. Lorsque le niveau de la nappe est au dessus de celui du cours d’eau, l’eau afflue en direction de celui-ci : la nappe alimente le cours d’eau. Ce drainage intervient surtout au printemps et en été. Durant les étiages, il constitue souvent la seule source d’eau pour les cours d’eau.

Lorsque le niveau de la nappe est en dessous de celui des eaux de surface, le sens d’écoulement s’inverse : elles contribuent à alimenter la nappe. C’est surtout le cas en automne et en hiver, lors des crues des cours d’eau.

Les plans d’eau déconnectés des cours d’eau (carrières et gravières inondées), ainsi que certains milieux humides situés dans des dépressions, se remplissent aussi par drainage de la nappe. L’eau remplit la cuvette jusqu’à ce que le niveau soit le même que celui de la nappe. Le sens d’écoulement de la nappe est conservé, et des échanges demeurent entre celle-ci et le milieu.

Dans les estuaires et sur les côtes, les eaux de surface peuvent également se mélanger aux eaux souterraines. Des apports d’eau souterraine à travers le sable, parfois de véritables sources, peuvent pénétrer dans les eaux côtières.
De l’eau salée est également susceptible de pénétrer dans les nappes souterraines connectées au littoral : c’est le phénomène d’intrusion saline.