Существенную роль в процессах биосферы играет и так называемая подземная гидросфера. Пресные воды после ледников вносят основной вклад в общий баланс пресной воды на планете. Обширные запасы подземных вод находятся в верхней части земной коры, на разной глубине под почвой. Эти воды местами пропитывают рыхлые или трещиноватые горные породы, образуя водоносные пласты. Большая часть подземных вод в верхних водоносных пластах образуется в результате просачивания через почву и грунт атмосферных осадков. Некоторая часть подземных вод может образоваться в результате соединения выделившихся из магмы кислорода и водорода. Такие воды аналогично синтезированным в живых организмах называют ювенильными, или юношескими, т. е. впервые вступающими в общий влагооборот земного шара. Достоверных сведений об общем объеме их в балансе влаги Земли пока не имеется. Горные породы по гидрологическим свойствам разделяют на водопроницаемые и водоупорные. Наибольшей водопроницаемостью обладают рыхлые породы - пески, галечники и трещиноватые известняки. Водоупорными, или водонепроницаемыми, являются глины и монолитные скальные породы. Водоносные пласты образуются в водопроницаемых породах, лежащих на водоупорных, задерживающих дальнейшее движение подземных водвниз.
К естественным запасам подземных вод обычно относят объем свободной - химически не связанной, движущейся главным образом под влиянием силы тяжести - воды, которая содержится в порах и трещинах горных пород, слагающих земную кору. Пресные воды, как правило, залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые воды и рассолы. Имеется предположение, что до глубины 200 м объем пресных подземных вод составляет 10,5 млн.км3 - это примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, руслах рек и болотах. Даже самая сухая почва обязательно содержит некоторое количество влаги в виде гигроскопической воды, а также водяного пара. Частицы почвы удерживают на себе отдельные, изолированные молекулы воды, которые иногда сливаются, образуя пленку толщиной в 1-2 молекулы. Эта гигроскопическая вода поглощается сухой почвой из воздуха, не подчиняется силе тяжести и может быть удалена из почвы только путем нагревания до 100°С. Когда толщина пленки становится больше, вода называется пленочной. Между частицами почвы, окруженными слоем пленочной воды, находится воздух. Пленочная вода под действием сил молекулярного притяжения перемещается от толстой пленки к тонкой. Мельчайшие капиллярные промежутки между частицами почвы иногда заполнены капиллярной водой, которая под действием капиллярных сил может подниматься вверх от сплошного слоя подземной воды. Вода, заполняющая крупные промежутки в почве, не удерживается капиллярными силами и свободно стекает вниз в виде струек и капелек. Это гравитационная вода. В воздухе, заключенном в порах между частицами почвы, влага содержится в виде водяного пара. Практически почти вся почвенная влага находится в верхнем двухметровом слое почвы и подпочвы. Влажность этого слоя в среднем составляет 10% (по весу), что соответствует слою воды 0,2 м.