地下水的物理性质包括密度与重度、压缩性、黏滞性、表面张力、温度、颜色、透明度、臭、味、导电性和放射性等，这里只介绍与地下水分布与运动有关的物理性质。
1.1.2.1 密度与重度
水的密度(ρw)定义为单位体积水的质量，常用单位为g/cm3或kg/m3。水的密度随水的温度、压力和含盐量而发生微小的变化。纯水的密度在0～20℃和大气压力下为0.998～1.000g/cm3，纯水在4℃时密度最大，其值为1.00g/cm3。随着水温升高，水的密度降低。例如当水温为40℃、60℃、80℃和100℃时，水的密度分别为0.99221g/cm3、0.98321g/cm3、0.97180g/cm3和0.95835g/cm3(Matthess，1982)。当压力增大时，水的密度有所升高。例如，当井口处压力为大气压力、水的密度为1000.0kg/m3且井水水温为10℃时，井深500m处水的密度升高至1002.3kg/m3(Fitts，2002)。当水的含盐量升高时，水的密度也会增大。例如，当地下水总溶解固体为1g/L、5g/L、10g/L和100g/L时，其密度分别为1.0007g/cm3、1.0036g/cm3、1.0072g/cm3和1.0720g/cm3(Nonner，2003)。海水的含盐量约为35g/L，其密度为1.025g/cm3;含盐量为325g/L的高浓度卤水的密度可达1.345g/cm3。因此，在研究深层地下水、地下热水和含盐量较高的地下水的分布和运动时，需要考虑水的密度变化。
水的重度(γ，也称为容重)定义为单位体积水所受的重力。重度的单位为kg/(m2·s2)或N/m3。重度与密度的关系如下:
地下水科学概论
式中:g为重力加速度常数，取值为9.81m/s2;ρw为水的密度。
1.1.2.2 压缩性
水通常被认为是不可压缩的。但是，在压力升高时，水仍然具有轻微的压缩性，用压缩系数(β)来表征。水的压缩系数是水承受的法向压力变化时其体积(和密度)变化的度量，可以定义为
地下水科学概论
式中:P为水承受的法向压力;Vw为水的体积;其他符号意义同前。水的压缩系数变化通常很小，在水温为0℃时，水的压缩系数为4.9×10－10m2/N，10℃时为4.7×10－10m2/N，20℃时为4.5×10－10m2/N;当压力降低时，水会轻微膨胀。
1.1.2.3 黏滞性
水是只要施加任何切应力都能引起连续变形的物质，这种连续变形就是水的流动。而水阻止任何变形的性质称为水的黏滞性，它是处于运动状态的水阻止其产生切变的性质的度量。设想两平行平板之间的薄层水，当一平板相对于另一平板侧向滑动时，水层产生阻抗这种切向运动的阻抗力，平板滑动越快，阻抗力越大。阻抗力(F)可以表示为
地下水科学概论
式中:A为平板间水层的面积;v为平板间相对滑动速度;z为水层厚度;常数μ称为动力黏滞系数，是表征水的黏滞性的参数，其单位为g/(cm·s)或kg/(m·d)。
水的黏滞性通常随水温的升高而降低。当水温为0℃时，水的动力黏滞系数为154.66kg/(m·d)，20℃时为87.26kg/(m·d)。
另一个表征水的黏滞性的参数是运动黏滞系数(ν)。运动黏滞系数与动力黏滞系数的关系为
地下水科学概论
运动黏滞系数的单位为cm2/s或m2/d。
1.1.2.4 表面张力水分子是极性分子，水分子之间相互吸引。因此，一小簇水具有吸着力使其聚集在一起。雨滴在落下过程中呈球体状，水滴在光滑的表面上呈珠状。在雨滴或水珠的表面(水汽界面)像是有一层弹性薄膜将水包围住，而不让水散开。这种作用实际上是在水汽界面施加的一个张力———表面张力。表面张力作用于与水面平行的所有方向，是单位长度上施加的力，单位为N/m或g/s2。对于给定的水汽界面，表面张力是一个常数。表面张力只随温度而变化，在水温为20℃和大气压力下水的表面张力为71.97×10－3N/m。
表面张力作用的结果是使水体的自由表面积减小到最小。对于给定体积的水体来说，球状体的表面积最小。表面张力对于研究毛细现象具有重要的意义。