含水層是含水的、可滲透的巖石、巖石裂縫或松散物質（礫石、沙子或淤泥）的地下層。 可以使用水井從含水層中抽取地下水。 含水層的特征差異很大。 對含水層水流和含水層特征的研究稱為水文地質學。 相關術語包括隔水層，它是沿著含水層的低滲透床，以及隔水層（或隔水層），它是含水層下方或上方的固體不透水區域，其壓力可能會形成承壓含水層。 含水層的分類如下：飽和與不飽和； 含水層與弱透水層； 受限與不受限； 各向同性與各向異性； 多孔、巖溶或斷裂； 跨界含水層。

使用地下水的挑戰包括：超采（抽取地下水超過含水層的平衡產量）、與地下水相關的土地沉降、地下水變成咸水、地下水污染。

含水層發生在近地表到 9,000 米（30,000 英尺）以上的深度。 那些離地表較近的地方不僅更有可能被用于供水和灌溉，而且也更有可能被當地的降雨補充。 盡管含水層有時被描述為地下河流或湖泊，但它們實際上是充滿水的多孔巖石。

許多沙漠地區內部或附近有石灰巖丘陵或山脈，可以作為地下水資源開采。 北非阿特拉斯山脈的一部分、敘利亞和黎巴嫩之間的黎巴嫩和反黎巴嫩山脈、阿曼的 Jebel Akhdar 山脈、內華達山脈的部分地區和美國西南部的鄰近山脈，都有淺層含水層，可用于開采 他們的水。 過度開發會導致超過實際持續產量； 即，取出的水多于補充的水。

在利比亞和以色列等某些國家的海岸線上，人口增長導致用水量增加，導致地下水位下降，隨后地下水被海水污染。

2013 年，在澳大利亞、中國、北美和南非附近的大陸架下發現了大型淡水含水層。 它們含有大約 50 萬立方公里的低鹽度水，可以經濟地加工成飲用水。 這些儲備是在海平面較低時形成的，雨水進入陸地區域的地下，這些區域直到 20,000 年前冰河時代結束才被淹沒。 據估計，該水量是 1900 年以來從其他含水層抽取的水量的 100 倍。

弱透水層是地球內限制地下水從一個含水層流向另一個含水層的區域。 如果透水層完全不透水，有時可以稱為隔水層或隔水層。 弱透水層由粘土層或水力傳導率低的無孔巖石層組成。

地下水幾乎可以在地球淺層地下的每個點找到，在某種程度上，盡管含水層不一定含有淡水。 地殼可分為兩個區域：飽和區或潛水區（例如含水層、弱透水層等），所有可用空間都充滿水，以及非飽和區（也稱為滲流帶） ，那里仍然有一些空氣袋，其中含有一些水，但可以充滿更多的水。

飽和意味著水的壓頭大于大氣壓（它的表壓＞0）。 地下水位的定義是壓力水頭等于大氣壓力的表面（表壓= 0）。

不飽和條件發生在地下水位上方，壓頭為負（xxx壓力永遠不會為負，但表壓可以）并且不完全填充含水層材料孔隙的水處于抽吸狀態。

非飽和區的水含量通過表面粘附力保持在適當位置，并通過毛細作用上升到地下水位（零表壓等壓線）以上，使潛水面（毛細管邊緣）以上的小區域飽和 比大氣壓力。 這稱為張力飽和度，與基于含水量的飽和度不同。 毛細管邊緣的水含量隨著與潛水面距離的增加而減少。 毛細管頭取決于土壤孔隙大小。 在孔隙較大的沙質土壤中，揚程低于孔隙非常小的粘土。 粘土中的正常毛細上升小于 1.8 米（6 英尺），但范圍在 0.3 到 10 米（1 到 33 英尺）之間。

小直徑管中水的毛細管上升涉及相同的物理過程。 地下水位是水在大直徑管道。