Phần lớn nước dưới đất hình thành theo một nhánh trong vòng tuần hoàn nước cùng với các yếu tố thủy văn khác. Có bốn con đường hình thành nước dưới đất.[1]

1. Nguồn gốc khí quyển: Do nước mưa, nước mặt trong sông hồ, đầm lầy,... ngấm xuống (Recharge Area) các tầng đất đá bên dưới (Aquifer) khi những tầng này có đới độ rỗng cao. Phần lớn nước dưới đất thuộc dạng này.

2. Nguồn gốc trầm tích trầm tích, khi lắng đọng thì ở dạng bùn ướt. Quá trình trầm tích tiếp theo tạo ra lớp đè lên trên, gây nén kết đá và nước bị tách ra thành vỉa. Các vỉa nước dưới đáy mỏ dầu khí thuộc dạng này.

3. Nguồn gốc magma (Nguyên sinh): Do magma nguội đi thì quá trình kết tinh xảy ra, lượng dư hydro và oxy nếu có sẽ tách ra, rồi kết hợp thành nước. Đây là quá trình chính thời viễn cổ khi Trái Đất từ dạng khối vật chất nóng chảy nguội dần, nước tách ra từ magma tạo ra khí hơi nước, mây rồi tích tụ tạo ra các đại dương cổ. Nguồn nước từ magma đã giảm nhiều, do vỏ rắn Trái Đất hiện dày hơn, và hydro là nguyên tố nhẹ nên ít nằm lại trong lòng Trái Đất.

4. Nguồn gốc biến chất (Thứ sinh): Các hoạt động xâm nhập làm nóng đất đá, gây biến chất các lớp trầm tích bên trên, dẫn đến thải nước từ trầm tích. Về chi tiết thì có hai hiện tượng:

• Nước tự do, tức là phân tử H2O tự do nằm trong đất đá và có thể di chuyển hay khai thác được, do nhiệt độ cao nên tách ra khỏi tầng đá.
• Nước liên kết, là nước trong các phân tử ngậm nước của đất đá. Bình thường thì nước này không tự do di chuyển và không khai thác được. Quá trình biến chất chuyển đổi khoáng vật của đất đá sang dạng khác "đặc" hơn và thải nước liên kết ra.

Thời gian từ lúc khối nước tách ra khỏi nguồn cho đến ngày nay, gọi là "tuổi" của nước dưới đất. Tại Hà Nội thì tuổi của nước phun ra ở giếng chân đê sông Hồng mùa lũ có thể chỉ là vài ngày, nhưng nước khai thác ở tầng sâu 150 m ở Nhà máy nước Cáo Đỉnh thì có tuổi cỡ triệu năm, từ tầng Đệ tứ Q1.