地球上的水圈是原始地壳生成后，氢和氧随同其他易挥发组分从地球内层圈逸出而形成的。因此，地下水与其他形式的水一样都是起源于地球深部层圈。从形成地下水化学成分的基本作用出发，可将地下水分为三个主要成因类型：溶滤水、沉积水和内生水。
1.溶滤水
含有O2与CO2的大气降水或地表水渗入地下后，溶滤它所流经的岩土，而获得其他的化学成分，这种水称之为溶滤水。溶滤水的成分受气候、地形、地貌及流经岩性等因素的影响。
地下水流经的岩土对溶滤水的水化学成分有一定的影响。在含有石膏沉积的第三系地层分布区，水中含有较多的Ca2+和。石灰岩、白云岩等碳酸盐沉积区的地下水，以、Ca2+和Mg2+为其主要成分。酸性岩浆岩地区的地下水大多为HCO3 -Na型水。煤系地层分布区及有色金属矿床附近常形成硫酸盐型水。
气候对溶滤水的化学组分的影响十分显著。在气候炎热潮湿地区，不同性质的岩土经过长期充分的洗蚀，易迁移的离子大部分均已淋失，剩下的是碳酸盐、二氧化硅和氧化铝等难以迁移的矿物。尽管原来地层的岩性不同，最终在浅部会形成低矿化的重碳酸盐型水，并且，硅酸占有一定的比例。在干旱气候条件下，蒸发强烈，不论地层岩性如何，浅部地下水都会由重碳酸盐型水转变为硫酸盐型水，最终形成矿化度很高的氯化钠型水。总的来说，气候是决定地壳浅部元素迁移的重要因素，区域性的溶滤水化学成分反映了气候的影响。
地形对溶滤作用的影响，是通过地下水径流条件起作用的。在切割强烈的山区，地下水径流条件好，径流强烈，水交替迅速，地下水滞留时间短，岩层中的易溶成分不断被溶滤并被带走，故地下水的矿化度低，以重碳酸盐型水为主。地势平坦的地区，地下径流缓慢，水交替微弱，水与岩土作用时间长，地下水中易溶离子含量和矿化度较高。
在气候、地形、地貌及岩性等因素的综合作用下，潜水化学类型具有分带性。区域分带性主要受气候的控制，在沿地下径流方向也显示出分带性。我国西北地区气候干旱的大型断陷盆地中，潜水的分带性表现得十分典型和完整。如青海的柴达木盆地，从盆地边缘的洪积扇顶部，到盆地中心的察尔汗盐湖，基本可分为三个水化学带：第一带，是重碳酸盐型水带，位于洪积扇中、上部的戈壁砾石带，以、Ca2+为主，矿化度小于1 g/L；第二带，是硫酸盐型水带，位于洪积扇下缘的细土带，阴离子以为主，阳离子逐渐由Ca2+变为Na+，矿化度为1～3 g/L；第三带，为氯化物型水带，位于湖积细土平原-盐湖，以Cl-、Na+为主，矿化度一般大于30 g/L，到察尔汗盐湖附近，矿化度高达100～300 g/L。
这些地区不仅在平面上具有水化学分带特征，而且在一些部位也呈现出垂直分带的特点：在洪积扇下缘—湖区，为地下水泄出带，地下径流以由下而上的越流排泄为主，下部为重碳酸盐型水；地下水在向上径流时，逐渐变为硫酸盐型水；到了近地表处，由于蒸发强烈，浓缩作用加强，成为以Cl-、Na+为主的氯化物型水。
与大气圈联系较为密切的基岩中开启构造中的承压水，以及平原地区的浅层承压水，也都属于溶滤水。如黄河中下游平原，由黄河古河道形成的浅层承压含水层，由于开启性好，渗透性强，水交替强烈，溶滤作用发育，往往形成低矿化的重碳酸盐型水；而在其两侧，多为古河间洼地，径流条件差，水交替微弱，则形成较高矿化度的硫酸盐型水，乃至高矿化的氯化物型水；古河道上游地区主要为重碳酸盐型水，向下径流过程中，水交替变弱，矿化度逐渐增高，地下水类型逐渐过渡为硫酸盐-氯化物型水。
半干旱的华北平原的潜水和浅层承压水，水化学类型也显示出分带性，但要复杂得多，不但受控于近代的气候和地形、地貌，而且还受控于古气候、古地理和古沉积环境。
2.沉积水
沉积水是指与沉积物同时生成的地下水。在连续沉降的盆地中，沉积物连同生成时的水一起逐渐地被深埋。尽管不同水体（海相、河相、湖相）的沉积物，具有不同的原始化学成分，但在漫长的地质时期中，赋存在含水层中的沉积水由于流动性好，经受了一系列的复杂变化后，已面目全非。赋存在海相淤泥中的沉积水，由于淤泥渗透性差，其中的沉积水受到外界的影响小，其化学成分在一定程度上反映了古沉积盆地的水化学特征，一直受到研究者的重视。
海相淤泥沉积物具有的特点是：孔隙度、含水量和比表面积大，渗透性很差，其中的孔隙水渗出极为缓慢，通常含有机质和各种微生物。由于处在还原环境中，有利于各种生物化学作用的进行。
海水的平均化学成分是矿化度为35g／L的氯化钠型水（r（Na）/r（Cl）=0.85，Cl/Br=293）。在漫长的地质时期中，海相淤泥中的沉积水历经各种变化，其成分与现代海水相比，有以下特征：①矿化度很高，最高可达300g／L；②硫酸根离子减少，甚至消失；③钙的相对含量明显增大，钠减少，r（Na）/r（Cl）<0.85；④溴、碘富集，尤其是碘含量增加，Cl/Br变小；⑤出现硫化氢、甲烷、铵、氮；⑥ pH值增加。
对于海相沉积水矿化度的增大，有不同的解释，一般认为是海水在潟湖中浓缩所致，也有人认为是沉积物被深埋后，在深部高温蒸发所致。
脱硫酸作用对海相沉积水成分改变影响最大，它使水中的减少乃至消失，出现H2 S，含量增加。含量增加与pH值的升高，会使部分碳酸钙和碳酸镁沉淀析出，令水中的Ca2+、Mg2+减少。
海相沉积水中钙的增多，虽然认为是阳离子吸附交换的结果，但有人认为，在浅海盆地的水下三角洲，当河流将吸附的大量Ca2+粘土带入海洋时，产生吸附交替反应，使钙析出，增加了水中Ca2+的含量。在克拉玛依油田，乌尔禾组水下三角洲储油构造（埋藏深度为3000m左右）中的油田水就属于该成因的高矿化氯化钙型水。
海相淤泥中生物遗骸的分解使溴、碘富集，并产生甲烷等有机气体。
海相淤泥在成岩过程中受到上覆地层压力压实时，一部分被挤压进入相邻颗粒较粗的地层中，形成后生沉积水，这种水广泛存在于储油构造中；另一部分则仍保留在淤泥层中，这便是同生沉积水。
埋藏在地层中的海相淤泥沉积水，由于地壳运动而被剥蚀出露地表，或由于断裂构造与外界连通，沉积水有可能被溶滤水所取代，但也可能出现溶滤水与沉积水相混合的情况，形成新的水化学成分。
3.内生水
内生水是源自地球深部层圈的水。目前对内生水的研究还不成熟，人们仅能从岩体中的包裹体溶液和现代火山喷出的蒸汽冷凝水中得到一些粗浅的认识。
在太平洋、大西洋等大洋的洋中脊-海底扩张带上，当海底扩张时，内生水伴随来自地球深部的玄武岩喷发，进入水圈。另外，内生水也可通过某些深大断裂加入到高温热泉中，如海洋底部的含有金、银等金属的高温热泉。虽然人们可以从这两方面感受到内生水的存在，但对内生水的典型化学特征至今仍不清楚。内生水的研究仍属地质学和水文地质学中有重要理论研究意义的一个难题。