يحدث تلوث المياه الجوفية عند إطلاق الملوثات على الأرض والتي تشق طريقها إلى المياه الجوفية. ويمكن أن يحدث هذا النوع من تلوث المياه أيضاً بصورة طبيعية بسبب وجود مكون ثانوي وغير مرغوب فيه، شوائب في المياه الجوفية، وفي هذه الحالة يكون من المرجح أن يشار إليه على أنه على أنه تغير كيميائي أو فيزيائي في نوعية المياه بدلاً من اعتباره تلوثاً.
غالباً ما يتسبب الملوث في انبعاث عموداً ملوثاً داخل طبقة المياه الجوفية. فحركة المياه والتشتت داخل طبقة المياه الجوفية تنشر الملوثات على مساحة أوسع. ويمكن أن يتقاطع الحد المتقدم، الذي يطلق عليه في كثير من الأحيان حافة الانبعاث، مع آبار المياه الجوفية أو مع المياه السطحية مثل التسريبات والينابيع، مما يجعل إمدادات المياه غير آمنة للبشر والحياة البرية. ويمكن تحليل حركة الانبعاث العمودي، التي تسمى واجهة الانبعاث العمودي، من خلال نموذج نقل هيدرولوجي أو نموذج للمياه الجوفية. وقد يتركز تحليل تلوث المياه الجوفية على خصائص التربة والجيولوجيا الموقعية والجيولوجيا المائية والهيدرولوجيا وطبيعة الملوثات.
يمكن أن يحدث التلوث من خلال شبكات الصرف الصحي ومكبات النفايات والنفايات السائلة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي أو المجاري المتسربة أو محطات تعبئة البنزين أو من استخدام الأسمدة على نحو مفرط في الزراعة. كما يمكن أن يحدث التلوث من الملوثات التي تحدث بشكل طبيعي، مثل الزرنيخ أو الفلورايد. إنّ استخدام المياه الجوفية الملوثة يسبب مخاطر للصحة العامة عن طريق التسمم أو انتشار المرض.
تؤثر الآليات المختلفة على نقل الملوثات، مثل الانتشار والامتصاص والهطول والانحلال في المياه الجوفية. ويتم تحليل تفاعل تلوث المياه الجوفية مع المياه السطحية باستخدام نماذج نقل الهيدرولوجيا.