Les eaux souterraines se trouvent dans les pores des sédiments et des roches, ou encore dans les fractures de la roche. On appelle porosité le volume de vides par rapport au volume total d'un matériau, roche ou sédiment. La porosité s'exprime en pourcentage. Certains sédiments sont très poreux, comme les sables et les graviers, d'autres très peu, comme les argiles. La porosité d'un sable dont les particules sont de taille uniforme peut être très élevée.
Par exemple, si on empile des sphères (particules) de taille égale de sorte que leurs axes forment un réseau cubique, le pourcentage des vides, soit l'espace disponible pour le fluide, est de 47,6%. C'est un tassement cubique, un tassement lâche.
A l'autre extrême, si on tasse au maximum les sphères, sans les déformer cependant, on obtiendra un tassement rhomboédrique, avec un espace de vides de 25,9%. Malgré ce tassement serré, il y a encore passablement d'espace pour emmagasiner l'eau. Dans la nature, on a le plus souvent ce dernier tassement, mais les situations intermédiaires entre tassement serré et tassement lâche existent aussi.
Les porosités deviennent plus faibles lorsque les particules du sédiments ne sont pas de taille uniforme, par exemple, un mélange de petites et de grosses particules, ou encore lorsque la charge sur un sédiment due à l'accumulation est suffisamment élevée pour déformer les particules. En généralisant, on peut dire que la compaction reliée à l'accumulation des sédiments diminue progressivement la porosité. Les phénomènes de la cimentation durant la diagenèse viennent aussi boucher progressivement la porosité.
Il faut distinguer deux concepts souvent très près l'un de l'autre: porosité et perméabilité. La porosité est le pourcentage de vides par unité de volume dans un sédiment ou une roche. La perméabilité réfère à la capacité du sédiment ou de la roche à transporter les fluides qui se trouvent dans les pores. En d'autres termes, pour qu'un sédiment ou une roche soient perméables, il faut que les pores soient connectés entre eux. On utilise parfois le terme, de porosité effective pour référer au volume des pores qui sont connectés entre eux, donnant une perméabilité à la roche ou au sédiment. Selon la taille et l'agencement de leurs particules ou des fractures qui les affectent, les matériaux du sous-sol seront plus ou moins perméables.
Un matériau qui transporte bien l'eau est appelé aquifère. Les sables ou les grès poreux constituent généralement de bons aquifères. Ils permettent aisément l'infiltration, l'emmagasinage et la circulation des eaux souterraines. Les roches fracturées agissent aussi comme aquifère, en autant que les fractures soient connectées entre elles pour former un réseau.
Par contre, les sédiments fins riches en argile et les roches argileuses, comme les schistes par exemple, constituent des aquicludes, c'est-à-dire des matériaux qui ferment la porte à la circulation des eaux souterraines. En effet, les minéraux des argiles ont une structure en feuillets dont l'empilement rend le matériau imperméable.
Les vitesses de circulation de l'eau dans les sédiments ou les roches sont très variables. Elles dépendent d'un certain nombre de facteurs, dont évidemment la perméabilité de l'aquifer, mais aussi le gradient hydraulique qui est défini par la différence d'élévation entre deux points de la surface de la nappe, divisée par la distance entre ces deux mêmes points, et la viscosité de l'eau. La vitesse d'écoulement s'exprime par la loi de Darcy (Henri Darcy, hydrologue français, 1856):
Il est difficile de généraliser, mais disons que les aquifères les plus perméables vont permettre des vitesses allant jusqu'à 15 cm/jour. A l'autre extrême, de mauvais aquifères présentent des vitesses de quelques cm/an. En moyenne, les eaux souterraines se déplacent à des vitesses de l'ordre de 3 cm/jour, ce qui équivaut à quelque chose comme 10 m/an, ou 1 km/100 ans. De tels chiffres impliquent deux choses: 1) l'eau que nous buvons (si elle provient de la nappe phréatique) peut avoir plusieurs dizaines et même centaines d'années; 2) avec un aussi long temps de résidence dans le sous-sol, l'eau a le temps de réagir chimiquement avec les matériaux et de se charger en sels minéraux; de là souvent des eaux dures ou sulfurées.
