Nội dung nghiên cứu của Địa chất thủy văn rất phong phú và đa dạng, gồm: vai trò địa chất của nước dưới đất; nguồn gốc, lịch sử thành tạo nước dưới đất; các quy luật phân bố, vận động; các tính chất vật lý, thành phần hóa học, thành phần khí và các quy luật biến đổi của nước trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo. Địa chất thủy văn cũng nghiên cứu các điều kiện thành tạo các mỏ nước (nước nhạt, nước khoáng, nước công nghiệp...), vai trò của nước trong việc thành tạo và phá hủy các mỏ khoáng sản (khoáng sản cứng, dầu khí). Địa chất thủy văn còn nghiên cứu các phương pháp tìm kiếm, thăm dò các dạng khác nhau của mỏ nước, tính toán trữ lượng, biện pháp bổ sung trữ lượng, các điều kiện cân bằng và động thái, các phương pháp bảo vệ nguồn nước khỏi bị nhiễm bẩn, các điều kiện chôn vùi những dòng nước thải công nghiệp và sinh hoạt.