Parte de la precipitación se infiltra en el suelo y llena los poros que hay en el suelo y rocas de la corteza terrestre. A la superficie bajo la tierra en donde todo el suelo y la roca disponibles están llenos de agua se le denomina zona de saturación, y al agua que llena esos poros se le conoce como agua subterránea o freática. El nivel de agua freática es la superficie superior de la zona de saturación. Es la línea divisoria entre suelo y roca saturados y roca y suelo no saturados, en donde los poros todavía pueden absorber más agua.

Se considera que existe 40 veces más agua subterránea bajo la superficie terrestre que en las corrientes de agua y lagos de todo el mundo. Sin embargo, esta agua “enterrada” está distribuida de manera desigual, y solamente una pequeña cantidad es económicamente explotable. Como la extracción de agua subterránea profunda se hace con mayor rapidez que aquella con la que se recarga en el ciclo hidrológico, consume las aguas líquidas existentes potencialmente renovables de la Tierra.

La capacidad del suelo o roca para retener el agua depende de su porosidad y permeabilidad. Las capas porosas y saturadas con agua, arena, grava o lecho de roca, y que pueden rendir una cantidad de agua económicamente significativa, se conocen como mantos freáticos o mantos acuíferos. Algunos mantos freáticos son muy grandes y el más grande del mundo es el Acuífero Ogallala, el cual va desde Dakota del Sur hasta el noroeste de Texas.

La mayor parte de los acuíferos se vuelven a llenar de manera natural por la precipitación fluvial que se infiltra por el suelo y roca, es el proceso conocido como recarga natural. Cualquier superficie de tierra que deja pasar el agua hasta que ésta llega a un manto freático se denomina área o superficie de recarga. El agua subterránea va desde el área de recarga, atraviesa un manto freático, y llega a una área de descarga, como parte del ciclo hidrológico. Las áreas de descarga pueden ser pozos, manantiales y ojos de agua, lagos, géisers, corrientes fluviales y océanos.

La dirección del flujo de agua subterránea, de las áreas de recarga a las de descarga, depende de la fuerza de gravedad, presión y fricción. Normalmente el agua subterránea se desplaza de sitios de mayor elevación y presión, a puntos de menor elevación y menor presión. Este movimiento es muy lento (en promedio, un metro por año; raramente 0.3 metros al día). Por esta razón, la mayor parte de los mantos freáticos son como grandes lagos subterráneos de movimiento lento.

Si la tasa de extracción de un acuífero supera a su tasa de recarga natural, baja el nivel de agua freática alrededor del pozo en explotación creando un volumen carente de agua al que se denomina cono de depresión del nivel del agua freática. Cualquier contaminación que se descargue en el área de tierra por encima del cono de depresión, será atraído directamente hacia el pozo, y puede tener un efecto devastador sobre la calidad del agua que se extrae de ese pozo.

Algunos mantos freáticos, denominados acuíferos fósiles, que se encuentran con frecuencia a gran profundidad, tienen una recarga muy pequeña y son recursos no renovables a la escala de tiempo humano. La extracción de estos depósitos equivale a una cueva falsa de agua, que eventualmente agota tales depósitos que son un caudal líquido de la Tierra.

El agua freática es el agua subterránea que constituye una fuente muy importante para extraer agua para beber y para riego agrícola, pero como su proceso de renovación es muy lento, resulta una fuente de agua fácil de agotar. Por otra parte, la contaminación del agua subterránea puede considerarse permanente.

Algunas bacterias y la mayoría de los contaminantes sólidos en suspensión son removidos o eliminados cuando el agua superficial contaminada se infiltra a través del suelo en los mantos acuíferos. sin embargo, este proceso puede llegar a ser sobre cargado por grandes volúmenes de desechos domésticos e industriales. Por otra parte, ningún tipo de suelo puede retener la infiltración de virus y muchas sustancias químicas orgánicas.

Cuando las aguas subterránea llegan a ser contaminadas no pueden depurarse por sí mismas, debido a que las corrientes de las aguas freáticas son lentas y no turbulentas, y los contaminantes no se diluyen ni se dispersan de manera efectiva. También hay poca descomposición por bacterias aeróbicas, porque las aguas subterráneas no tienen suministro de oxígeno de la atmósfera y además las poblaciones de bacterias aeróbicas y anaeróbicas degradadoras son muy pequeñas. Por otra parte, la baja temperatura de las aguas subterráneas hace que las reacciones de descomposición de sustancias sean lentas. Esto implica que para que las aguas subterráneas contaminadas puedan liberarse por sí mismas de los desechos contaminantes son necesarios cientos de miles de años. Otro factor que contribuye a que la gente no tenga conciencia del problema de la contaminación de las aguas subterráneas es que sus corrientes no se ven, por lo que la contaminación se va acumulando y cuando se descubre su peligrosidad ya es demasiado tarde. Por esto, algunos ambientalistas consideran que la contaminación de las aguas subterráneas, a largo plazo, emergerá como uno de los problemas más graves de los recursos acuíferos, en la medida en que los niveles umbrales de contaminación sean rebasados. Las aguas freáticas son fácilmente contaminadas por desechos de productos químicos debido a que las leyes para proteger las aguas subterráneas son poco estrictas o no existen en la mayoría de los países. Por ejemplo, en la población industrial de Woburn, Massachusetts, Estados Unidos, durante décadas las industrias vertieron sus desechos de plaguicidas, pegamentos, líquidos limpiadores de pieles y otros productos químicos sintéticos, a un sitio localizado a 800 metros de los dos pozos principales de abastecimiento de agua potable, y a finales de los setenta encontraron que dichos pozos contenían niveles peligrosos de tricloroetileno y percloroetileno que se habían infiltrado a los pozos. Fueron clausurados esos pozos porque encontraron incremento de leucemia infantil.

En 1982, en Estados Unidos, encontraron que el 45 % de los grandes sistemas públicos de agua abastecidos por mantos freáticos estaban contaminados con productos químicos orgánicos que planteaban amenazas potenciales. En 1990, encontraron que el 2.4 % de los pozos rurales utilizados para sacar el agua doméstica contenían niveles peligrosos de nitratos, que causaba un desorden en la sangre a los niños. También, encontraron que el agua de los pozos contenía residuos de plaguicidas a niveles que podrían ocasionar problemas de salud. Se encontraba un producto de degradación del herbicida DCPA, que era utilizado principalmente en jardines y prados.