當污染物釋放到地面并進入地下水時，就會發生地下水污染（也稱為地下水污染）。 由于地下水中存在少量不需要的成分、污染物或雜質，這種類型的水污染也可能自然發生，在這種情況下，它更可能被稱為污染而不是污染。 地下水污染可能來自現場衛生系統、垃圾填埋場滲濾液、廢水處理廠的廢水、下水道泄漏、加油站、水力壓裂（水力壓裂）或農業中過度施肥。 污染（或污染）也可能來自天然存在的污染物，例如砷或氟化物。 使用受污染的地下水會導致中毒或傳播疾病（水傳播疾病），從而危害公眾健康。

污染物通常會在含水層內產生污染物羽流。 含水層內的水運動和擴散將污染物擴散到更廣泛的區域。 它的前進邊界，通常被稱為羽流邊緣，可以與地下水井和地表水相交，例如滲漏和泉水，使供水對人類和野生動物不安全。 羽流的運動稱為羽流鋒，可以通過水文傳輸模型或地下水模型進行分析。 地下水污染分析可能側重于土壤特征和現場地質、水文地質、水文學和污染物的性質。 不同的機制對污染物的傳輸有影響，例如。 在地下水中擴散、吸附、沉淀、腐爛。

通過使用水文傳輸模型分析地下水污染與地表水的相互作用。 地下水和地表水之間的相互作用是復雜的。 例如，許多河流和湖泊都由地下水補給。 這意味著對地下水含水層的破壞，例如 因此，通過水力壓裂或過度提取，可能會影響依賴它的河流和湖泊。 海水侵入沿海含水層就是這種相互作用的一個例子。 預防方法包括：應用預防原則、地下水質量監測、地下水保護土地分區、正確定位現場衛生系統和應用立法。 當污染發生時，管理方法包括使用點水處理、地下水修復，或者作為最后的手段，放棄。

地下水中發現的污染物涵蓋廣泛的物理、無機化學、有機化學、細菌學和放射性參數。 原則上，許多在地表水污染中起作用的相同污染物也可能在受污染的地下水中發現，盡管它們各自的重要性可能不同。

砷和氟化物已被世界衛生組織 (WHO) 認定為全世界飲用水中最嚴重的無機污染物。

無機砷是土壤和水中最常見的砷類型。 類金屬砷可以天然存在于地下水中，最常見于亞洲，包括中國、印度和孟加拉國。 在印度北部和孟加拉國的恒河平原，天然存在的砷對地下水的嚴重污染影響了兩個區域含水層較淺層中 25% 的水井。 這些地區的地下水也因使用含砷殺蟲劑而受到污染。

地下水中的砷也可能存在于采礦作業或會浸出砷的礦山廢料場的地方。

隨著使用更深的地下水，地下水中的天然氟化物越來越受到關注，超過 2 億人面臨飲用濃度升高的水的風險。 當水硬度較低時，氟化物尤其會從酸性火山巖和分散的火山灰中釋放出來。 地下水中的高氟化物是阿根廷潘帕斯、智利、墨西哥、印度、巴基斯坦、東非大裂谷和一些火山島（特內里費島）的嚴重問題

在用作飲用水的地下水中天然存在高濃度氟化物的地區，氟斑牙和氟骨癥可能普遍且嚴重。

缺乏適當的衛生措施，以及水井放置不當，可能導致飲用水被糞便和尿液中攜帶的病原體污染。 這些糞口傳播的疾病包括傷寒、霍亂和腹瀉。 在糞便中存在的四種病原體類型（細菌、病毒、原生動物和蠕蟲或蠕蟲卵）中，前三種常見于受污染的地下水中，而相對較大的蠕蟲卵通常被土壤基質過濾掉。

就病原體而言，深層封閉含水層通常被認為是最安全的飲用水源。 來自經過處理或未經處理的廢水的病原體會污染某些含水層，尤其是淺層含水層。