人類活動引起的使地下水的成分和性質發生對人類有害的變化。礦體礦化地層等自然因素使地下水組分增減的現象，稱為水文地球化學異常。
地下水埋藏在地下一定深度的地層內，缺氧、溫度低、無光照、流動緩慢、水交替週期長，並且污染物的物理、化學和生物特性不同，因此污染物、水和介質間的相互作用過程很複雜。地下水污染不易及時發現，並難以治理。地下水一經污染，即使清除其污染源，也得十幾年，甚至幾十年或更長時間才能消除和恢復原來狀態。
污染物來源與種類 進入地下水的污染物多種多樣，就是在地下水局部污染范圍內，污染物也往往不止一種。污染物主要來自工業廢氣、廢水和廢渣，農業施用的化肥、農藥和糞便，以及人類消費活動產生的生活污水和垃圾。
地下水污染物種類繁多，按其性質一般可分為物理污染物、化學污染物和生物污染物。物理污染物主要為溫度、放射性物質和懸浮物等。化學污染物有無機污染物和有機污染物兩類。前者主要是氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氰化物、氟化物，以及汞、鉻、砷、鎘、鉛、鐵、錳等重金屬污染物；後者主要是酚類、油類、塑料、染料，以及有機氯、有機磷農藥等。生物污染物主要是有害的微生物、寄生蟲、病原體和變應原等。
污染方式 地下水污染一般分為直接污染和間接污染兩種。直接污染的特點是地下水中的污染物直接來源於污染源。在污染過程中，污染物性質不變，隻是數量有所增減。例如，滲井排污和污水溝渠滲漏，使地下水中的硝酸鹽含量增高。間接污染的特點是地下水中的污染物在污染源中含量並不高或根本不存在，它是污染過程的產物。例如，由於污染引起的地下水硬度增高等。直接污染是地下水污染的主要方式，污染過程較為簡單，污染來源及途徑容易被發現。間接污染過程復雜，真正的污染原因和途徑容易被掩蓋，難於發現。
污染途徑 按地下水污染特點，大致可劃歸4類：①間歇入滲型。污染物隨大氣降水或污水通過包氣帶周期性地滲入含水層，污染物多為固態，主要污染潛水。例如，灌溉水、大氣降水對農田表層土壤殘留農藥、化肥及易溶鹽類的淋濾和降水對工業及生活固體廢物堆的淋濾所引起的地下水污染等。②連續滲入型。污染物隨污染液不斷地通過包氣帶滲入含水層，污染物多半呈液態，主要污染潛水。例如，污水聚集地段（廢水渠、污水池、排污滲井等）受污染的地表水體和地下排污管道的連續滲漏造成的地下水污染等。③越流型。污染物以層間越流的方式，通過天然的途徑（隔水層缺失地段），或通過人為的途徑（破損的井管），從已受污染的含水層轉移到未受污染的淡水含水層，污染潛水或承壓水。④徑流型。污染物直接通過地下徑流進入含水層，污染潛水或承壓水。例如，污染物通過巖溶孔道或廢液地下貯存庫的隔離層破裂處進入含水層等。
地下水保護 以預防為主，防治結合。為此，必須嚴格控制工業廢水和生活污水排放量及排放濃度，在其排入環境之前應進行凈化處理。按環境容量，合理控制污灌定額和農藥化肥施用量。禁止利用河渠、滲坑、滲井、巖溶通道等排放污水，在污水聚集地段，采取防滲措施。選擇最佳的地質、水文地質條件的地點堆放廢物。合理開發利用地下水資源，防止污染水、海水、地下咸水等不良水體進入未受污染的淡水層。建立和健全地下水監測點網，進行地下水長期監測。一旦發現地下水污染，就應及時采取措施，查清污染來源與途徑，采用截流、抽水等措施，排出被污染的地下水，防止其繼續擴展。利用吸附、離子交換等方法，處理被污染的地下水。