地下水参与地球上的水循环，是水文循环中的重要因素。大气降水落到地面之后渗入地下的那部分，成为地下水的补给来源。大多数地下水都是大气降水入渗补给的。当地面温度低于空气温度时，空气中的水汽便凝结形成凝结水进入地下，成为地下水的补给来源，虽然凝结水的补给量远少于大气降水的补给量。来源于大气中的大气降水及凝结水的入渗而形成的地下水，称为大气水起源的地下水。大气水起源的地下水包括现代大气水起源的、古代大气水起源的和地质历史时期大气水起源的。埋藏较浅、积极参与水文循环的地下水，是现代大气水起源的，其地下停留时间为几个月到几十年。埋藏较深的地下水或地下热水可以是古代大气水起源的，其地下停留时间为近百年到数百万年。分布于某些沉积盆地深处陆相地层中的地下水或地下卤水，是陆相沉积物沉积时的大气水，随后被封存在陆相地层之中一直保留到现在，由这种古大气水形成的地下水的年龄与陆相地层的时代相当。
大气水起源的地下水是最常见的地下水，其中又以现代大气水起源的地下水占多数，但也存在海水起源的地下水。例如分布在某些沉积盆地深处的海相沉积地层如碳酸盐岩、蒸发岩中保留有海相沉积物沉积时的海水，经长期演化成为现今所看到的地下卤水，其年龄与海相地层的时代相当。在滨海含水层的局部海岸带与海水接触的部位，可以分布有海水起源的地下水。此外，还有数量极少的非大气水和非海水起源的地下水。上地幔熔融物质进入地壳或喷出地表时，有直接来源于地幔的初生水；由岩浆中分离出来的气体冷凝形成的水，称为岩浆水，也有在变质作用过程中与岩石共生的变质水；矿物相发生转变时释放出来的成岩水等。有些地区的地下水也不是单一起源的，而是混合起源的。例如在海岸带中存在大气水和海水混合起源的地下水。通过研究地下水的氢、氧稳定同位素（2H和18O）的组成，有助于判别地下水的起源。