Animación de: Bramer
El agua subterránea es toda el agua que ha penetrado en la superficie de la tierra y se encuentra en una de las dos capas del suelo. La más cercana a la superficie es la «zona de aireación», donde los espacios entre el suelo se llenan de aire y agua. Debajo de esta capa se encuentra la «zona de saturación», donde los huecos se llenan de agua. La capa freática es el límite entre estas dos capas. A medida que la cantidad de agua subterránea aumenta o disminuye, la capa freática aumenta o disminuye en consecuencia. Cuando toda el área debajo del suelo está saturada, se producen inundaciones porque todas las precipitaciones posteriores se ven obligadas a permanecer en la superficie.
La cantidad de agua que se puede mantener en el suelo se llama «porosidad». La velocidad a la que el agua fluye a través del suelo es su «permeabilidad». Diferentes superficies retienen diferentes cantidades de agua y absorben agua a diferentes velocidades. La permeabilidad de la superficie es extremadamente importante para los hidrólogos, ya que a medida que una superficie se vuelve menos permeable, una cantidad creciente de agua permanece en la superficie, creando un mayor potencial de inundación. Las inundaciones son muy comunes durante el invierno y principios de la primavera porque el suelo congelado no tiene permeabilidad, lo que hace que la mayor parte del agua de lluvia y de deshielo se convierta en escorrentía.
El agua que se infiltra en el suelo fluye hacia abajo hasta que encuentra roca impermeable (se muestra en gris), y luego viaja lateralmente. Los lugares donde el agua se mueve lateralmente se denominan «acuíferos». El agua subterránea regresa a la superficie a través de estos acuíferos (flechas), que desembocan en lagos, ríos y océanos. En circunstancias especiales, el agua subterránea puede incluso fluir hacia arriba en pozos artesianos. El flujo de agua subterránea es mucho más lento que la escorrentía, con velocidades generalmente medidas en centímetros por día, metros por año o incluso centímetros por año.