地下水是重要的淡水资源，其补给主要来源于两个方面：一是降水渗入不饱和带到达地下水位（即区域补给）；二是地表水体（如河流、湖泊和湿地）的损失（即地表水损失）。区域补给的量范围很广，从极小比例到年平均降水的约一半。由于区域补给发生在广阔的区域，即使年平均补给率很低（例如每年几英寸），也代表了进入地下水的可观水量。河流和地表水体可能从地下水获取水源，也可能向地下水补给水源。在干旱和半干旱地区，河流和地表水体常是地下水补给的重要来源，尤其是在山前和陡坡地带，以及喀斯特地貌区域。
地下水存在于两个主要区域：不饱和带和饱和带。在不饱和带，颗粒间隙和岩石裂隙中同时存在空气和水，但这些水由于毛细力束缚，无法通过井泵抽取。而在饱和带，孔隙完全充满水，其近似上界被称为地下水位。地下水位以下的水体即为地下水，其水压足够高，可以被泵抽取。地下水位本身是会随降水和地表水体的补给变化而季节性和年际波动的。从区域尺度看，地下水位的形态通常是地表地形的平缓重现。
地下水是一个巨大的地下水库。在全球淡水中，约有25%被估计储存在地下水资源中。一个大型地下水系统的储量比例（相对于通过泵抽取或自然排放的总量）是一个潜在有用的特征，它使得供水能够在长期干旱期得到维持。然而，在补给量较少的地区过度使用地下水，有时会导致地下水位普遍下降和地下水储量显著减少。
在评估水源地的自然补给速率与存储容量时，需要了解地下水流动的基本原理。地下水流动的速度通常很低，其运动路径是从补给区流向排泄区（如泉点、河流、湖泊或湿地）。在局部尺度的地下水流系统中，水流从区域补给处进入地下水位，并最终通过（1）向大气体的地下水蒸发-蒸腾作用，或（2）直接通过河床排泄出来。对于长期平均条件，系统进入量必须等于流出量。
此外，不同类型的含水层对抽水响应的差异也需要考虑。在无压含水层和承压含水层中，抽取相同数量的水，初始阶段在承压含水层会引起更大范围和更显著的地下水位下降。只有当系统接近平衡状态时，其响应才不再取决于是否处于承压状态。因此，制定可持续的取水方案，需要综合评估区域补给的规律性、地下水系统的储量规模，并考虑不同含水层类型对抽水变化的响应差异，以维持在干旱年份的稳定供水。