Les eaux souterraines circulent dans des roches aquifères (sables, grès, calcaires, roches volcaniques fissurées). En fonction de la géologie, elles s’enfoncent parfois à quelques milliers de mètres, en se réchauffant de 3°C par 100m en moyenne.
Lorsqu’elles remontent très rapidement, elles émergent chaudes à la source : leur température à la source dépend de la profondeur d’origine et de la vitesse de remontée.

En région volcanique, la présence de magma à faible profondeur augmente considérablement le degré géothermique : les eaux thermales sont alors plus fréquentes.

Les eaux chaudes dissolvent plus vite et en plus grande quantité les sels minéraux. C’est pourquoi, en général, les eaux thermales sont aussi minéralisées : ce sont les eaux thermo-minérales. En outre, elles ont souvent enrichies en gaz produits en profondeur.

Dès leur sortie, les eaux se refroidissent et perdent leurs gaz dissous. De ce fait, une partie des sels minéraux dissous se dépose autour de la source en formant des concrétions parfois spectaculaires.