含水层从外界获得水量的过程，称为地下水的补给。地下水的补给来源有大气降水、地表水、凝结水、其他含水层的水和与人类活动有关的补给来源。地下水经常不断地参与自然界的水循环。含水层或含水层系统经补给从外界获得水量，通过径流将水量由补给处输送到排泄处向外界排出。在补给、排泄过程中，含水层与含水系统除了与外界交换水量外，还交换能量、热量与盐量。因此，补给、排泄与径流决定着地下水水量水质在空间与时间上的分布。

影响大气降水补给地下水的因素比较复杂，其中主要有年降水总量、降水特征、包气带的岩性及厚度、地形、植被等。年降水量大则有利于补给地下水。问歇性小雨和过分集中的暴雨不利于补给地下水，而绵绵细雨最有利于地下水的补给。包气带透水性好，有利于降水入渗补给，如包气带岩性为砂、砾石等较有利于补给，而为黏土层则不利于补给。当降水强度超过地面入渗速率时，地形坡度大会使地表坡流迅速流走，使地表径流增加。平缓与局部低洼的地势，有利于滞积地表流，增加水入渗份额。森林、草地可滞留地表坡流与保护土壤结构，有利于降水入渗，但是浓密的植被，尤其是农作物，以蒸腾方式强烈消耗包气带水，造成大量水分亏缺，尤其在气候干旱地区，农作物复种指数的提高，会降低降水补给地下水的份额。应当注意的是，影响降水入渗补给地下水的因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立地加以分析。如强烈岩溶化地区，即使地形陡峻，地下水位埋深达数百米，由于包气带渗透性极强、连续集中的暴雨也可全部吸收。