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。另外还有水库渗漏水、灌溉回归水等与人类活动有关的地下水补给，其中大气降水是最重要的补给源。

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。

大气降水一部分转为地表径流，一部分被蒸发，仅有部分渗入地下，渗入地下的部分在到达潜水面以前，必须经过由土颗粒、空气和水三相组成的包气带，故入渗过程中水的运动极其复杂。降水初期，当包气带含水量较小或干燥时，吸收降水的能力就相当强，重力、颗粒表面吸引力以及细小孔隙中的毛细力，都促使水分入渗，形成结合水、悬挂毛细水等。因此降水初期或降水量很小时，入渗的水分大部分或完全被包气带所吸收，很少或不可能补给潜水。当结合水、悬挂毛细水等达到极限(包气带中的毛细孔隙全部被水充满)时，包气带的吸水能力就显著降低，继续降水时，在重力和静水压力的传递作用下，连续下渗的重力水会很快达到潜水面，引起潜水位的抬升。因此一般孔隙、裂隙潜水含水层水位的回升总是滞后于降水，而岩溶含水层有时是通过岩溶通道灌人，此时降水补给就很少有滞后现象。

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。

河流是最主要的地表补给水源河流与地下水的补给关系沿着河流纵剖面而有所变化。一般说来，山区河流深切，河水位常低于地下水位，起排泄地下水的作用，洪水期则河水补给地下水。山前，由于河流的堆积作用，河床处于高位，河水常年补给地下水。冲积平原与盆地某些部位，河水位与地下水位的关系随季节变化。而在某些冲积平原中，河床因强烈的堆积作用而形成“地上河”，河水常补给地下水。

地表水补给地下水必须具备两个条件：①地表水水位高于地下水；②两者之间存在水力联系。沿着河流纵断面，河水与地下水的补给关系有所变化。河流上游，地表水水位通常低于地下水，河流排泄地下水。河流中游，河水在洪水期补给地下水，枯水期排泄地下水。河流下游，进入山前冲洪积倾斜平原，河水补给地下水。河流下游冲积平原，河水与地下水的补给关系取决于河流堆积特点：泥砂堆积强烈时，出现自然堤及人工堤防，河底高于地面，形成地上河，地表水常年补给地下水，黄河下游即是如此；一般河流，洪水期河水补给地下水，枯水期排泄地下水。根据达西定律，河水补给地下水时，补给量取决于以下因素：河床渗透性、透水河床湿周与长度的乘积、河水位与地下水位高差，以及河流过水时间。

饱和湿度随温度降低而降低，温度降到一定程度，空气中的绝对湿度与饱和湿度相等。温度继续下降，超过饱和湿度的那一部分水汽，便凝结成水。这种由气态水转化成的液态水叫凝结水。夏季的白天，大气和土壤都吸热增湿；到夜晚，土壤散热快而大气散热慢，地温降到一定程度，在土壤孔隙中水汽达到饱和，凝结成水滴。由于此时气温较高，地面大气的绝对湿度较土中为大，水汽由大气向土壤孔隙运动，如此不断补充，不断凝结成水滴。凝结水相当有限，但在高山、沙漠等昼夜温差大的地方，凝结作用对地下水补给的作用不能忽视。

两个含水层之间存在水头差且有联系的通路，则水头较高的含水层便补给水头较低者。此外，地下水还可从人类活动中得到补给。建造水库、进行农田灌溉以及工业与生活废水的排放都使地下水获得补给，还可有计划的人为补充含水层的水量，即人工补给地下水。人工补给地下水可以补充与储存地下水资源，抬高地下水位，控制地面沉降、防止海水倒灌与咸水入侵淡水含水层等。