Les eaux souterraines proviennent de l’infiltration des eaux de pluie dans le sol. Celles-ci s’insinuent par gravité dans les pores, les microfissures et les fissures des roches, humidifiant des couches de plus en plus profondes, jusqu’à rencontrer une couche imperméable. Là, elles s’accumulent, remplissant le moindre vide, saturant d’humidité le sous-sol, formant ainsi un réservoir d’eau souterraine appelé aquifère. La nappe chemine en sous-sol sur la couche imperméable, en suivant les pentes, parfois pendant des dizaines voire des centaines de kilomètres, avant de ressortir à l’air libre, alimentant une source ou un cours d’eau. Les nappes souterraines fournissent ainsi presque le tiers du débit total de tous les cours d’eau de la planète, soit environ 12 000 kilomètres cubes d’eau par an.

Les nappes d’eaux souterraines peuvent être de deux types selon qu’elles circulent sous une couche perméable ou non.
Les nappes situées sous un sol perméable sont dites libres. Au-dessus de la nappe en effet, les pores du terrain perméable ne sont que partiellement remplis d’eau, le sol n’est pas saturé, et les eaux de pluie peuvent toujours l’imprégner davantage. Aussi, le niveau de la nappe peut-il monter ou baisser à son aise. De telles nappes peuvent donc contenir des volumes d’eau variables. C’est le cas notamment des nappes d’accompagnement des rivières.
En revanche, les nappes situées entre deux couches imperméables sont dites captives car leur niveau ne peut monter, l’eau ne pouvant s’insinuer dans un sol imperméable. Ces nappes n’ont qu’un lien ténu avec la surface par où elles sont alimentées et qui correspond à la zone où la couche perméable affleure. De telles nappes se renouvellent donc plus lentement que les nappes libres. Elles sont en général profondes, quelques centaines de mètres et plus, et si leur pente est forte, l’eau y est sous pression. La pression est même parfois suffisante pour que le creusement d’un puits permette à l’eau de jaillir en surface : une telle nappe est alors dite artésienne. Un exemple typique en France est celui de la nappe captive des Sables-Verts de l’Albien, qui se situe à environ six cents mètres de profondeur sous Paris mais s’infiltre aux environs d’Auxerre dans l’Yonne. Au siècle dernier, cette nappe était artésienne et jaillissait à environ 10 mètres de la surface du sol. Mais elle a été intensément exploitée et aujourd’hui l’eau doit être pompée en profondeur.

Les eaux souterraines cheminent à des vitesses très différentes qui dépendent de la nature des sols : plus la taille des porosités du sol est grande, plus la vitesse est rapide.
Dans les régions karstiques, les eaux de pluie s’engouffrent rapidement par les fissures et les avens et circulent à grande vitesse dans les galeries souterraines (jusqu’à quelques centaines de mètres par heure). Les eaux souterraines forment alors de véritables lacs et rivières souterrains, les lacs pouvant avoir jusqu’à 100 mètres de long et les rivières parcourir jusqu’à 10 kilomètres en souterrain.
Mais le plus souvent, le périple souterrain des eaux de pluie prend du temps : dans les régions constituées de calcaire ou de granite peu fissuré, de craie, de sable ou d’alluvions, leur infiltration est lente (quelques mètres par an dans les sables fins). L’eau remplit progressivement les moindres interstices, les pores de la craie, les petites fissures des granites ou des calcaires durs, ou encore les vides laissés entre les grains de sable ou de graviers. Les nappes ainsi formées ne sont jamais des étendues d’eau libre, mais des couches de terrain saturées d’eau. Leur écoulement est paresseux et les distances parcourues peuvent être très longues. Ce lent voyage permet au flux de l’eau de se régulariser, et aux nappes d’alimenter de manière régulière les cours d’eau, malgré le caractère erratique des pluies. Même en période de sécheresse, elles peuvent parfois continuer à ravitailler les cours d’eau pendant des années. Les eaux souterraines ont donc un rôle de régulation extrêmement important. Ce sont elles qui alimentent ce que l’on appelle le " débit de base " des cours d’eau ou débit d’étiage. Mais toutes les nappes ne sont pas d’aussi bonnes régulatrices du débit d’eau : les nappes libres en sont d’excellentes, contrairement aux nappes captives.

Sous nos latitudes, les aquifères sont alimentés principalement en hiver car durant cette période le phénomène d'évaporation est faible, l'humidité des sols favorise l'infiltration, et les plantes, qui vivent au ralenti, consomment peu d'eau. Les eaux souterraines reconstituent donc leurs réserves à cette époque de l'année. En été en revanche, elles n’accumulent plus d’eaux nouvelles et leur niveau baisse. Mais elles continuent à alimenter les cours d’eau sauf lorsque l’hiver a été trop sec, auquel cas elles peuvent se tarir. De même, dans les pays tropicaux secs, les nappes reconstituent leur réserve durant la saison des pluies. Mais elles s’épuisent au cours de la saison sèche qui dure longtemps et les cours d’eau finissent le plus souvent par tarir. Dans les régions au climat aride, les pluies sont trop exceptionnelles même en hiver pour pouvoir humidifier les sols en profondeur. Leurs eaux s’évaporent, ou servent à alimenter la très rare végétation, ou encore ruissellent sur les sols secs pour aller rejoindre quelques cours d’eau occasionnels appelés des oueds. L’eau peut s’infiltrer en revanche au fond de ces oueds lors de leurs crues passagères et aller alimenter des nappes libres. Celles-ci sont donc toujours situées en profondeur dans les sédiments du lit des oueds. En été cependant, ceux-ci se tarissent et les eaux des nappes, qui débouchent à l’air libre, s’évaporent au soleil.

Il est bien sûr possible d’exploiter cette ressource en puisant l’eau directement dans les nappes. Mais si l’on veut conserver l’aptitude de ces eaux à réguler les flux, il faut prêter attention à ne pas prélever plus d’eau que l’écoulement naturel ne peut en offrir. Il n’est donc pas recommandé de puiser dans une nappe sans en connaître au préalable le comportement, si l’on ne veut pas risquer un épuisement irréversible.
Certaines nappes, notamment, ne sont plus du tout approvisionnées en eau aujourd'hui : leur exploitation, comme celle de n'importe quel gisement fossile (pétrole, charbon, gaz,…), ne peut donc que conduire à leur assèchement progressif.
C'est le cas par exemple des nappes profondes et captives de certains bassins sédimentaires qui ne sont quasiment plus en relation avec le réseau hydrologique superficiel et que les eaux de pluie ne peuvent atteindre. C'est aussi le cas de certaines nappes libres des régions désertiques, comme celles des grès nubiens du nord de l'Afrique ou celle de l'Alti Plano en Bolivie : ces nappes se sont formées alors que ces régions bénéficiaient d'un climat plus clément mais aujourd'hui les pluies sont trop rares pour pouvoir les alimenter.