Proses terbentuknya air tanah erat kaitannya dengan siklus hidrologi, yaitu siklus yang berkesinambungan dalam peredaran air di lingkungan perairan. Dimulai ketika air turun dari atmosfer ke bumi dalam bentuk hujan atau salju. Curah hujan ini merupakan sumber air utama dalam siklus hidrologi.
Sebagian besar air hujan yang jatuh ke permukaan bumi akan langsung mengalir di atas permukaan tanah sehingga membentuk air permukaan seperti sungai, danau, atau rawa. Namun sebagian kecil air hujan juga merembes atau diserap oleh tanah melalui proses yang disebut infiltrasi.
Air yang berhasil meresap ke dalam tanah akan menembus lapisan tanah hingga mencapai apa yang disebut dengan “zona jenuh”. Zona jenuh merupakan lapisan dalam tanah yang pori-porinya terisi penuh air, sehingga disebut juga akuifer.
Air tanah yang berada dekat dengan permukaan tanah dapat diserap tanaman melalui akarnya. Air inilah yang kemudian mengalami evapotranspirasi, yaitu proses penguapan melalui tumbuhan (transpirasi) dan penguapan langsung dari dalam tanah (evaporasi). Hal ini menyebabkan air menguap kembali ke atmosfer.
Pada bagian bawah zona jenuh terdapat lapisan batuan yang mempunyai karakteristik berbeda dalam hal permeabilitas (kemampuan menyerap air). Lapisan atau lapisan permeabel yang dapat dilewati air terdiri dari kerikil, pasir, batu apung, dan batuan retak. Sedangkan lapisan kedap air atau air yang tidak dapat ditembusnya terdiri dari napal, tanah liat, dan tanah liat. Meskipun tanah liat dapat menyerap air, namun daya serapnya terbatas karena sifatnya yang jenuh air.
Air hujan yang meresap ke dalam tanah dari zona tak jenuh (zona aerasi) akan terus meresap lebih dalam ke dalam tanah melalui proses perkolasi. Akhirnya air ini akan mencapai zona jenuh dimana pori-pori tanah terisi penuh air. Air yang mencapai zona jenuh disebut air tanah.
Proses ini merupakan bagian integral dari siklus hidrologi yang berulang terus menerus. Air tanah yang terbentuk mempunyai manfaat penting sebagai sumber air untuk berbagai kebutuhan, baik air minum, rumah tangga, industri, dan pertanian. Pentingnya menjaga kualitas dan ketersediaan air tanah guna memenuhi kebutuhan manusia dan menjaga kelestarian ekosistem. Air tanah juga dapat berinteraksi dengan air permukaan, sehingga kondisi dan pengelolaan air tanah dapat mempengaruhi kualitas dan ketersediaan air permukaan pada suatu daerah.