水文学，作为地球科学的分支，主要研究地球表面、土壤中、岩石下以及大气中水的发生、循环、含量、分布、物理化学特性、影响以及与生物的关系。

水循环是水文学的核心概念，水分子吸收太阳辐射能蒸发，随后在高空遇冷凝结成云，以雨水、雪、冰雹等形式降落回地球表面。这些液态水分子最终流入海洋。这一过程不断循环，形成水循环。在循环过程中，需要考虑生物系统对水资源的影响，以及地表滞留、植物截留和中间流等效应。

水平衡描述地表特定区域在特定时间内水量收入与支出的均衡状态。全球海陆总降水量与总蒸发量保持平衡。不同地区因气候差异，水平衡会随时间、空间变化。降水量与蒸发量的差额称为径流量，反映了地区的水资源盈亏状态。例如以色列因蒸发量大，尽管约旦河经过，径流量仍为负值，促使发展节水灌溉技术。

水污染涉及水体中可能对人体、动植物或生态造成危害的化合物，包括离子和分子化合物。水体污染可能导致生态系统功能丧失，如优养化现象干扰水资源分配。工业废水、都市废水等污染物使水体失去观赏、游玩、垂钓等功能。

水体形态多样，包括河流、湖泊、冰川、地下水和海洋。河流因降水量超过渗透量而形成，湖泊在地表凹陷处积聚，冰川由积雪压力和重力作用形成。地下水分为土壤水和饱和带地下水。海洋占据地球表面约71%，包括太平洋、大西洋、印度洋、地中海和北冰洋。

水文学涵盖多个分支，如河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学、雪水文学、水文气象学、地下水水文学、区域水文学、海洋水文学、农业水文学、森林水文学、都市水文学等。